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Die vorliegende Erfindung betrifft
Vorrichtungen mit Kreiskolben und Zylinder, welche zum Beispiel
in Form eines Verbrennungsmotors oder einer Pumpe, wie etwa eines Über- bzw. Vorverdichters, oder
als ein Expander, wie etwa ein Hydromotor oder ein Turbinenersatz,
vorliegen können.
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Der Begriff „Kolben" wird hier in seinem weitesten Sinn
gebraucht, so dass er, wenn der Kontext es zulässt, auch eine Trennwand einschließt, die
sich relativ zu einer Zylinderwand bewegen kann, und eine Trennwart
dieser Art muss im Allgemeinen nicht von wesentlicher Dicke in Richtung
der Relativbewegung sein, sondern kann oft in Form einer Klinge
bzw. Schaufel vorliegen.
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Die FR 2 660 364 offenbart eine Vorrichtung mit
Kreiskolben und Zylinder, worin sich radial nach innen erstreckende
Kolben durch einen ringförmigen Zylinderraum
bewegt werden. Eine Verschlussscheibe ist vorgesehen, welche zum
zweifachen Unterteilen des ringförmigen
Zylinderraums dient. Eine Anordnung dieser Art ist in der Praxis
schwer zu verwirklichen, um zu vermeiden, dass die rotierende Scheibe
den Durchtritt der Kolben behindert.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung
ist eine Vorrichtung mit Kreiskolben und Zylinder vorgesehen, welche
einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Stator zumindest
teilweise einen ringförmigen
Zylinderraum definiert, der Rotor in Form eines Rings ausgebildet
ist und der Rotor mindestens einen Kolben aufweist, der sich vom
Rotorring im Allgemeinen radial nach innen in den ringförmigen Zylinderraum
erstreckt, wobei der Stator im Inneren des Rings positioniert ist,
im Einsatz der mindestens eine Kolben nach Drehung des Rotors gegenüber dem Stator
in Umfangsrichtung durch den ringförmigen Zylinderraum bewegt
wird, der Korpus des Rotors relativ zum Stator abgedichtet ist,
und die Vorrichtung des Weiteren eine Verschlusseinrichtung zum
Verschließen
des Zylinderraumes aufweist, die relativ zum Stator in eine Schließstellung
bewegbar ist, in welcher die Verschlusseinrichtung den ringförmigen Zylinderraum
unterteilt, sowie in eine Öffnungsstellung,
in welcher die Verschlusseinrichtung den Durchtritt des mindestens
einen Kolbens ermöglicht, wobei
die Verschlusseinrichtung zum Verschließen des Zylinderraums eine
Verschlussscheibe aufweist, und die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Verschlussscheibe nur einmal durch den Zylinderraum
hindurch tritt.
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Der Stator kann Abschnitte aufweisen,
die sich, sofern gewünscht,
im Allgemeinen radial nach außen über den
Ring hinaus erstrecken.
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Vorzugsweise weist die Verschlussscheibe eine
Trennwand auf, die sich im Wesentlichen in radialer Richtung, bezogen
auf den ringförmigen
Zylinderraum, erstreckt.
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Zwar könnte die Verschlusseinrichtung
theoretisch hin und her bewegbar sein, aber es wird sehr bevorzugt,
den Einsatz von hin und her gehenden Bauteilen zu vermeiden, vor
allem, wenn hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind, und die Verschlussscheibe
ist vorzugsweise mindestens eine Rotationsverschlussscheibe, die
mit mindestens einer Öffnung
versehen ist, welche im Öffnungszustand
der Verschlusseinrichtung so angeordnet ist, dass sie im Wesentlichen
deckungsgleich mit der in Umfangsrichtung verlaufenden Bohrung des
ringförmigen
Zylin derraums so positioniert ist, dass sie den Durchtritt des wenigstens
einen Kolbens durch die Verschlussscheibe gestattet.
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Die mindestens eine Öffnung ist
vorzugsweise radial in der Verschlussscheibe vorgesehen.
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Vorzugsweise ist der Rotor so angepasst, dass
er die Verschlussscheibe aufnimmt.
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Die Verschlussscheibe wird vorzugsweise vom
Rotor durch eine geeignete Übersetzungseinrichtung
angetrieben.
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Vorzugsweise verläuft die Drehachse des Rotors
nicht parallel zur Drehachse der Verschlussscheibe. Am meisten bevorzugt
verläuft
die Drehachse des Rotors im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse
der Verschlussscheibe.
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Vorzugsweise ist der Kolben so geformt, dass
er durch eine Öffnung
in der sich bewegenden Verschlusseinrichtung ruckfrei hindurch tritt,
wenn die Öffnung
durch den ringförmigen
Zylinderraum hindurch tritt.
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Der Korpus des Rotors wird vorzugsweise von
dem Stator drehbar gehalten, anstatt sich auf eine Kooperation zwischen
den Kolben und den Zylinderwänden
zu verlassen, um den Korpus des Rotors und den Stator in Relation
zueinander zu positionieren.
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Es sollte anerkannt werden, dass
dies sich von einer herkömmlichen
Einrichtung mit einem hin- und hergehenden Kolben unterscheidet,
in der der Kolben durch geeignete Kolbenringe, die relativ hohe Reibungskräfte hervorrufen,
koaxial mit dem Zylinder gehalten wird.
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Der Rotorring wird bevorzugt drehbar
von geeigneten Lagereinrichtungen, die von dem Stator getragen werden,
getragen.
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Der ringförmige Zylinderraum kann in
eine Vielzahl von ringförmigen
Zylinderräumen
unterteilt sein. Bevorzugt ist mindestens ein Kolben in jedem Zylinderraum
vorgesehen.
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Vorzugsweise sind zwischen den Zylinderräumen Einrichtungen
zur Strömungsverbindung
vorgesehen, welche mindestens einen Durchlass zur Weiterleitung
aufweisen.
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Der Durchlass oder die Durchlässe zur
Weiterleitung können
innerhalb oder außerhalb
des Stators oder innerhalb oder außerhalb des Rotors vorgesehen
sein.
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In mindestens einem der Durchlässe kann die
Verschlusseinrichtung als Ventil fungieren.
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In einer Ausführungsform ist der kreisförmige Zylinderraum
durch Aufnahme einer sich in Umfangsrichtung erstreckenden mittigen
Wand in den Stator in zwei ringförmige
Zylinderräume
aufgeteilt. In jedem Zylinderraum ist jeweils ein Kolben vorgesehen.
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Ein ringförmiger Zylinderraum definiert
einen Einlass-/Verdichtungsraum, und der andere Zylinderraum definiert
einen Verbrennungs-/Auspuffraum. Die mittige Wand bildet darin einen
Durchlass zur Weiterleitung, der eine Einrichtung zur Strömungsverbindung
zwischen dem ringförmigen
Zylinderraum auf der einen Seite der Verschlussscheibe und dem anderen
ringförmigen
Zylinderraum auf der anderen Seite der Verschlussscheibe vorsieht.
Der Durchlass zur Weiterleitung ist so geformt, dass, wenn die Öffnung der
Verschlussscheibe so geformt, dass, wenn die Öffnung der Verschlussscheibe
durch den Durchlass zur Weiterleitung hindurchtritt, die Öffnung darin als
Ventil fungiert.
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Ein Motorenentwurf dieser Art bietet
viele Vorteile. Das Fehlen eines komplexen Ventilzugs und die Tatsache,
dass er nur zwei sich bewegende Teile aufweist, sollte die Reibungsverluste
verringern. Da die Ansaug-/Verdichtungsstufe und die Verbrennungs-/Auspuffstufe
physisch voneinander getrennt sind, ist es möglich, die Erstgenannte in
größerem Ausmaß zu kühlen und
Energie wird von den Wänden
der Verbrennungsseite an das Gas zurückgegeben, sobald das komprimierte
Gas zwischen den Zylinderräumen
weitergeleitet worden ist.
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Vorrangig erhöht dies die Leistung des Zyklus,
aber es trägt
auch zur Abkühlung
der Verbrennungsseite bei. Ein relativ schmaler Durchgang zur Weiterleitung
dient als Venturi-Düse,
wobei die direkte Einspritzung von Kraftstoff in das komprimierte Gas
(von einem Injektor auf der Verbrennungsseite des Durchgangs zur
Weiterleitung) unter einem niedrigeren Druck als ansonsten notwendig
ermöglicht wird.
Die direkte Einspritzung ermöglicht,
dass ein höheres
Verdichtungsverhältnis
angewendet (und damit die Leistungsfähigkeit des Motors erhöht) wird. Die
bei der Kraftstoff-Druckbelüftung
aufgewandte Energie wird reduziert, wenn ein geteiltes Injektionssystem
zur Verfügung
steht, bei dem ein Teil des Kraftstoffs in die Einlassöffnung (in
der das Gas, das eingespritzt wird, in etwa Umgebungsdruck hat)
eingespritzt wird, und der Rest des Kraftstoffs, der zur Bildung
einer brennbaren Mischung nötig
ist, wird in das komprimierte Gas in dem Durchgang zur Weiterleitung
eingespritzt. Dies verbessert das Kraftstoffgemisch und erlaubt
dennoch den Einsatz eines hohen Verdichtungsverhältnisses ohne das Risiko einer
vorzeitigen Zündung, welche
auftritt, wenn der gesamte Kraftstoff in die Einlassöffnung gegeben
wird.
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Die kreisförmige Geometrie des Motors
kann bewirken, dass Kraftstoff nach außen zentrifugiert wird. Auf
der Verbrennungsseite kann dies möglicherweise durch einen Injektorentwurf
gesteuert bzw. geregelt werden oder mit einer aerodynamischen Einrichtung
durch den Injektor, um die Menge des Gemischs zu steuern bzw. zu
regeln. Dies ermöglicht eine
variable Füllungsschichtung
(und gestattet damit, dass die Energieabgabe ohne Drosseln variiert wird).
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Selbstverständlich existieren viele Modifikationen,
die eingeführt
werden könnten,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise können auch
ein Durchgang oder mehrere Durchgänge zur Weiterleitung vorgesehen
sein, die sich außerhalb
des Stators erstrecken. In einem Durchgang zur Weiterleitung dieser
Art könnte
eine geeignete Öffnung
in der Verschlussscheibe alternativ dazu oder in Kombination damit
als Ventil fungieren. Eine noch andere Möglichkeit ist es, einen Durchgang
zur Weiterleitung in dem Rotor vorzusehen, der in regelmäßigen Abständen deckungsgleich
mit zwei statischen Öffnungen
hereinkommt, wobei die statischen Öffnungen eine Strömungsverbindung
zwischen den verschiedenen Zylinderräumen vorsehen.
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Eine weitere mögliche Modifikation ist die Einführung einer
zweiten Öffnung
auf der Ansaug-/Verdichtungsseite, um zu ermöglichen, dass ein Teil der
angesaugten Luft ausgestoßen
wird. Die Steuerung bzw. Regelung der Menge an ausgestoßener Luft
erlaubt das Drosseln der Vorrichtung ohne die Pumpverluste, die
mit herkömmlichem
Drosseln verbunden sind. Unter Anwendung dieser Form des Drosselns
ist das Verdichtungsver hältnis
wirksam reduziert, aber das Ausdehnungsverhältnis bleibt gleich.
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Vorzugsweise umfasst der Stator mindestens
eine Einlassöffnung
und mindestens eine Auslassöffnung.
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Bevorzugt befindet sich mindestens
eine der Öffnungen
im Wesentlichen neben der Verschlusseinrichtung.
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Vorzugsweise mindestens eine der Öffnungen
ist ständig
offen. Alternativ kann in wenigstens einer der Öffnungen ein Ventil vorhanden
sein.
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In den Öffnungen kann die Verschlusseinrichtung
als Ventil fungieren. Alternativ können druckgesteuerte Ventileinrichtungen
oder andere Ventileinrichtungen in den Öffnungen als Ventile fungieren.
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Vorzugsweise umfasst jeder Kolben
Dichtungsmittel.
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Bevorzugt umfassen die Dichtungsmittel mindestens
einen Dichtgummi.
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Vorzugsweise ist jeder Dichtgummi
dieser Art an dem Kolben mittels mindestens eines elastischen Elements
befestigt.
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Alternativ können die Dichtungsmittel eine Federdichtung
umfassen.
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Vorzugsweise definieren der Dichtgummi und
die Kolbenvorrichtung eine Aussparung.
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Der Kolben und der Dichtgummi umfassen bevorzugt
winklige vordere Abschnitte, welche die Zunahme von Druck in jenem
Bereich des ringförmigen
Zylinderraums fördern,
der neben den vorderen winkligen Abschnitten liegt.
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Vorzugsweise ist das Verhältnis der
Winkelgeschwindigkeit des Rotors zur Winkelgeschwindigkeit der Verschlussscheibe
1 : 1.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
stellt die Vorrichtung mit Kreiskolben und Zylinder einen Verbrennungsmotor
dar.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform
stellt die Vorrichtung mit Kreiskolben und Zylinder eine Hydropumpe
dar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
stellt die Vorrichtung mit Kreiskolben und Zylinder einen Hydromotor/Servomotor
dar.
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Die Vorrichtung mit Kreiskolben und
Zylinder kann ein Turbinenersatz sein.
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Die Vorrichtung mit Kreiskolben und
Zylinder kann ein Kompressor oder ein Expander sein.
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Die Erfindung wird nunmehr weitergehend beschrieben
und zwar rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen,
worin:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Kreiskolben und Zylinder ist, in welcher der Stator aus Gründen der Übersichtlichkeit
weggelassen worden ist,
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2 eine
Vorderaufrissansicht der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
ist, in welcher der Stator gezeigt ist,
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3 eine
Querschnittsansicht der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
ist, in welcher der Kolben aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen
worden ist,
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4 eine
Vorderaufrissansicht des Außenrings
und Kolbens für
die in den 1 bis 3 veranschaulichte Ausführungsform
ist, und
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5 eine
perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit Kreiskolben und Zylinder ist, in welcher der Kolben und der
Stator aus Gründen
der Übersichtlichkeit
weggelassen worden sind.
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Eine Vorrichtung mit Kreiskolben
und Zylinder ist in den 1 bis 4 gezeigt. Die veranschaulichte
Vorrichtung 31 umfasst einen Außenring 56, eine Verschlussscheibe 58 und
einen Stator 60.
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Der Stator 60 weist ein
Dach 62 und Wände 64a und 64b auf.
Das Dach und die Wände
erstrecken sich in Umfangsrichtung um eine Drehachse Y-Y. Die Wände 64a und 64b umfassen
zwei Öffnungen 80 bzw. 81,
die sich neben der Verschlussscheibe 58 befinden. Die Einlassöffnung und
die Auslassöffnung
können
ebenfalls in dem Dach 62 vorgesehen sein.
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Der Außenring 56 ist mittels
geeigneter Lagereinrichtungen drehbar an dem Stator 60 angebracht.
Der Außenring 56 ist
mit einer Innenfläche 68 versehen,
deren Umriss im Wesentlichen gewölbt
ist, um die Verschlussscheibe 58 aufzunehmen. Die In nenfläche 68 und
der Stator 60 definieren einen ringförmigen Zylinderraum 70.
Der ringförmige
Zylinderraum ist durch (nicht gezeigte) Dichtungsringe abgedichtet.
Der Außenring
umfasst des Weiteren einen Kolben 72, der sich im Allgemeinen
einwärts
von dem Außenring 56 erstreckt.
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Der Kolben 72 weist einen
Innenflächenabschnitt 72a auf
und ist so geformt, dass er die Bewegung des Innenflächenabschnitts
auf dem Dach 62 gestattet.
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Die Verschlussscheibe 58 ist
mit einer Öffnung 76 versehen
und die Verschlussscheibe ist innerhalb des Außenrings 56 so angebracht,
dass die Verschlussscheibe einmal, wie dargestellt, durch den ringförmigen Zylinderraum 70 hindurch
tritt. Die Verschlussscheibe weist eine Drehachse X-X auf.
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Geeignete (nicht gezeigte) Übersetzungsmittel
sind zwischen dem Außenring 56 und
der Verschlussscheibe 58 vorgesehen, damit sie beide mit derselben
Winkelgeschwindigkeit rotieren.
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Der Kolben ist so geformt, dass,
wenn sowohl der Ring wie auch die Verschlussscheibe mit (im Wesentlichen)
derselben Winkelgeschwindigkeit rotieren, der Kolben durch die Öffnung ohne
hindernde Störung
hindurch treten kann. Die effektive Größe der Öffnung hängt von der Dicke des Kolbens
ab. Jedoch kann das Verhältnis
der Winkelgeschwindigkeiten des Rotors zur jenem der Verschlussscheibe
1 : 2 sein, wenn zwei gegenüberliegende
Kolben vorgesehen sind.
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Die beschriebene Ausführungsform
kann mit einer Einlassöffnung 80 und
einer Auslassöffnung 81 als
Pumpe verwendet werden. In diesem Fall wird der Außenring 56 von
einer (nicht gezeigten) geeigneten Antriebseinrichtung angetrieben.
Im Be trieb rotieren der Außenring 56 und
die Verschlussscheibe 58, und der Stator 60 bleibt
stationär.
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Als (nicht gezeigte) alternative
Ausführungsform
können
die Einlass- und die Auslassöffnung
im Außenring 56 vorgesehen
sein und in ihnen können in
einem statischen Außengehäuse vorgesehene Öffnungen
als Ventile fungieren.
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Als weitere Alternative kann in einer
oder mehreren der Einlass- oder Auslassöffnungen eine Modifikation
der Verschlussscheibe 58 als Ventil fungieren. Jedoch können auch
anderen geeignete Ventileinrichtungen verwendet werden.
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Als eine noch andere Alternative
können
die Einlass- und die Auslassöffnung
in dem Außenring 56 vorgesehen
sein, so dass auf konventionellere Weise der Außenring 56 stationär bleibt
und die rotierende Verschlussscheibe 58 und der Stator 60 im
Inneren des Außenrings 56 rotieren.
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Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Kreiskolbens
und Zylinders ist ihre Kompaktheit.
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Das Fehlen hin- und hergehender Bewegungen
bedeutet, dass Beschleunigungskräfte
der Vorrichtung ein geringeres UpM-Limit setzen.
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Die Tatsache, dass nur zwei sich
bewegende Teile vorhanden sind, verringert die Reibungsverluste (was
die Leistungsfähigkeit
steigert) und mindert den Verschleiß (was die Lebensdauer verlängert).
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Die Vorrichtung 31 mit Kreiskolben
und Zylinder kann so angepasst werden, dass sie als Hydromotor verwendet
werden kann.
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Alternativ kann die Vorrichtung als
Verbrennungsmotor eingesetzt werden, wenn geeignete Einrichtungen
zur Strömungsverbindung
zwischen verschiedenen Teilen des ringförmigen Zylinderraums 70 vorgesehen
sind.
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Eine weitere Ausführungsform gemäß der Erfindung
ist in 5 gezeigt. In
diesem Fall beträgt der
Winkel zwischen der Drehachse Y-Y des Rotorrings und der Drehachse
B-B der Verschlussscheibe 45°.
Ein Vorteil davon besteht darin, dass der an dem Außenring
angebrachte Kolben in Bezug auf die Drehachse des Außenrings
einen kleineren Winkel aufweist, was den Seitendruck auf den Außenring
reduziert. Ein weiterer Vorteil der in 5 gezeigten Ausführungsform besteht darin, dass
die Außenmaße im Vergleich
zur Vorrichtung 31 mit Kreiskolben und Zylinder weiter
verringert sind.
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Durch die Hinzufügung von Ventileinrichtungen
kann die Vorrichtung als Pumpe oder Hydromotor/Servomotor oder als
Kompressor oder Expander eingesetzt werden.
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Als weitere Alternative kann eine
Anzahl der genannten Vorrichtungen kombiniert werden oder der Zylinderraum
kann geteilt werden, um mehrstufige Maschinen zu bilden. Diese können die
Form eines Verbrennungsmotors annehmen, wenn geeignete Ventileinrichtungen
und Einrichtungen zur Strömungsverbindung
vorgesehen sind, oder sie können die
Form anderer Maschinen, wie beispielsweise von mehrstufigen Kompressoren,
annehmen.