EP0240467A1 - Dreh-Hubkolben-Maschine - Google Patents

Abstract

Die Dreh-Hubkolben-Maschine ist eine Hubkolbenmaschine oder Freikolbenmaschine, aber mit Dreh-Hubbewegung der Kolben.
Schwerpunkte dieses Patents sind:
  - Die Ausnützung der Dreh- bzw. Dreh-Hubbewegung der Kolben, z.B. für die Steuerung von Oeffnungen in der Zylinderwand bei sämtlichen Maschinen (2-Takt, 4-Takt - Motoren, Pumpen Verdichter).
  - Die einfache Umwandlung der Hub- in eine Drehbewegung
    - auf verschiedene mechanische Weisen
    - auf verschiedene elektrische Weisen

So ermöglicht die Dreh-Hubkolben-Maschine zum Beispiel:
  - Pumpen inklusiv elektrischem Antrieb mit total nur einem beweglichen Teil.
-   Direkte, einfache Umwandlung der Kolbenbewegung in elektrische Energie
  - Steuerung des Ladungswechsels durch den Kolben
  - Auch beliebige Steuerung von zusätzlichen Oeffnungen mit speziellen Funktionen (z.B. Einblasen von vorverdichtetem Zusatzgas, verschiedene Auslässe, welche nacheinander gestaffelt angesteuert werden usw.)
  - Wählbare Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung
  - Wählbare Hubkinematik
  - Kräftige Rotation oder Verwirbelung der Ladung
  - Einfache, schlanke, preisgünstig herzustellende Maschinen.
  - Ohne zusätzlichen Platzbedarf und praktisch ohne zusätzli­ches Gewicht ist ein Vorverdichter integrierbar.

Bild 1: Schematisches Beispiel eines 2-Takt-Verbrennungsmotors mit Steuerung des Gaswechsels durch die Kolben (2 und 5). Der Leistungsabtrieb erfolgt mit der zentralen Welle (14). Darauf ist der Dreh-Hubkolben (2) längsverschiebbar, aber drehstarr ge­lagert. Die Bewegungsumwandlung besorgt die taumelscheibenartige Welle (35) und das Uebertragungselement (38). Das Beispiel hat vier Arbeitsräume und einen 100-prozentigen Massenausgleich.

Description

• Kernpunkte der Dreh-Hubkolben-Maschine sind die einfache Um­wandlung der Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht. Zudem die Ausnützung dieser Kolbenbewegung für die direkte Steuerung des Ladungs­wechsels durch den Kolben: Ventile werden überflüssig, nicht nur bei 2-Takt- sondern auch bei 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichtern.
  Nach demselben Bewegungsprinzip kann man die Hubbewegung statt mechanisch auch elektrisch umwandeln und dabei direkt elektrische Energie erzeugen (bzw. umgekehrt).
  Mit nur einem Zylinder und zwei hin- und hergehenden Kolben erhält man schon eine Maschine mit vier Arbeitsräumen (ent­sprechend einer konventionellen Vierzylinder-Maschine), und einen hundertprozentigen Massenausgleich. (Beispiel Bild 1). Mit zusätzlichen inneren Arbeitsräumen kommen bei der selben Maschine nochmals vier Arbeitsräume dazu.
  Für die Umwandlung der Kolbenbewegung sind mehrere verschie­dene Lösungen aufgeführt. (siehe Bild 1, 6..8, 9..13).
  Neben der Kompaktheit und Einfachheit der Maschine ist, wegen den sehr grosszügigen Oeffnungen für den Ladungswechsel, eine sehr hohe Leistung und Effizienz zu erwarten.
  Auf weitere Dinge, Verwirbelung der Ladung bei Verbrennungs­motoren, usw., wird im folgenden noch eingegangen.
• Zur Namensgebung: Die "Dreh-Hubkolben-Maschine" ist eine Hubkol­benmaschine oder eine Freikolbenmaschine, mit zusätzlicher Dreh­bewegung des Kolbens. Bei mechanischer Begrenzung des Hubs ist sie eine Hubkolbenmaschine, sonst (z.B. bei elektrischer Erzeu­gung der Kolbenbewegung nach Anspruch 4) ist sie definitionsge­mäss eine Freikolbenmaschine. Da jedoch das typische Hauptmerk­mal der Maschine die Dreh-Hubbewegung des Kolbens ist, wird der Name "Dreh-Hubkolben-Maschine" gewählt.
• Der Ablauf der Beschreibung ist nach der Reihenfolge der Patent­ansprüche geordnet. Die Nummern am Anfang der folgenden Ab­schnitte beziehen sich auf die entsprechenden Patentansprüche. Abhängige Ansprüche, die sich spezifisch nur auf einen Anspruch beziehen, werden im Zusammenhang behandelt.
Steuerung des Ladungswechsels
• 1. Der Wirkungsgrad jeder Kolbenmaschine hängt entscheidend von der Güte des Ladungswechsels ab. Herkömmliche Ventile lassen nur einen relativ kleinen Querschnitt frei und müssen umständ­lich geöffnet und geschlossen werden.
  Aufgabenstellung war deshalb eine Kolbenmaschine mit direkter Steuerung von Oeffnungen in der Zylinderwand durch den Kolben. (Oft auch "Schlitzsteuerung" genannt). Die Lösung soll sich für alle bekannten Arbeitsverfahren und Anwendungen eignen, also auch für Maschinen, die das Arbeitsmedium im Zylinder drin ver­dichten. Diese Forderung verlangt, dass der Arbeitsraum beim ob­eren Hubtotpunkt auf ein beliebig kleines Endvolumen verkleinert werden kann.
  Die Dreh-Hubkolben-Maschine nach Anspruch 1 erfüllt diese Aufga­be. Dabei spielt die Kolbendrehung eine wichtige Rolle:
  Die dem Arbeitsraum zugewandte Kolbenoberfläche wird so gestal­tet, wie in Anspruch 1 geometrisch definiert.
  Anschauliche Beispiele zeigt Bild 5.
  Mit solchen Formen werden die Oeffnungen in der Zylinderwand nicht nur durch die Hubbewegung, sondern vor allem auch durch die Kolbendrehung, zugedeckt und abgedeckt. (Dies im Unterschied zum konventionellen schlitzgesteuerten 2-Takt-Motor, bei dem nur die Hubbewegung des Kolbens die Oeffnungen steuert!).
  Siehe Bild 3 und 4.
  Damit wird also nicht nur der Ladungswechsel beim schlitzge­steuerten 2-Takt-Motor bedeutend effizienter (asymmetrische Steuerzeiten möglich), es lassen sich jetzt auf diese Weise auch 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichter bauen.
  Erzielung des kleinen Endvolumens (oft auch "Endkompressions­volumen" genannt):
  Man begrenzt den Arbeitsraum auf der einen Seite durch den Dreh-­Hubkolben und auf der andern Seite auch durch einen Kolben, der synchron mitdreht, aber keine Hubbewegung auszuführen braucht. Im oberen Totpunkt passt die Oberflächenform des einen Kolbens in die als Negativform ausgebildete Oberfläche des andern Kol­bens. Dieser nur mitdrehende zweite Kolben kann ebenfalls Oeff­nungen für den Ladungswechsel steuern. (Bild 1, 13 und 5)
  Zweite Variante:
  Der Arbeitsraum wird von zwei Stirnflächen begrenzt: Auf der ei­nen Seite durch den Kolben, der eine Dreh- oder Dreh-Hubbewegung macht, auf der andern Seite durch eine nicht mitdrehende Stirn­fläche. Diese kann ein nicht drehender Kolben oder auch der Zy­linderkopf sein. Um ein kleines Endvolumen zu erreichen, müssen diese Flächen ebenfalls so ineinanderpassen, wie oben beschrie­ben. Damit nun im oberen Hubtotpunkt diese beiden Stirnflächen nicht miteinander zusammenstossen, werden folgende Massnahmen getroffen:
  In dieser Stellung darf keine oder nur eine so geringe Drehbewe­gung stattfinden, wie es der Abstand zwischen den beiden Stirn­flächen und die Form der Stirnflächen erlaubt. Dies erreicht man durch nicht kontinuierliche Kolbendrehung, durch mehrere Hubzyk­len pro Umdrehung und/oder durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten.
  Radialkräfte infolge des Druckes im Arbeitsraum werden nachfol­gend zusammen mit Anspruch 2 beschrieben.
• Zum Thema Kolbenbewegung: Ueber die Erzeugung der Dreh-Hubbewe­gung wird in diesem Anspruch nichts erwähnt. Einfache, kompakte Lösungen dafür sind Inhalt weiterer unabhängiger Patentansprü­che.
  Theoretisch gibt es zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung fast un­endliche Möglichkeiten. Viele sind bekannt oder lassen sich aus dem Stand der Technik folgendermassen einfach herleiten: Man er­ zeugt auf bekannte Weise eine oscillierende Hubbewegung und fügt dem Kolben mit einer andern bekannten Vorrichtung eine beliebige Drehbewegung hinzu. Beispiel:
  Grosse Schiffs-Dieselmotoren werden heute meist in der Bauart als Kreuzkopf-Hubkolbenmotoren gebaut. Eine zusätzliche Kolben­rotation kann dabei auf verschiedenste Arten erzeugt werden. Z.B. kann man die Kolbenstange drehbar (Axiallager) mit dem Kreuzkopf verbinden und von aussen her Kolbenstange und Kolben in Rotation versetzen, oder die Kolbendrehung durch einen einge­bauten Zusatzantrieb (Elektromotor etc.) bewirken usw. usf.
  Bild 2 zeigt ein schematisches Beispiel dafür.
  Die Drehbewegung kann dabei beliebig auf die Hubbewegung abge­stimmt werden. (Siehe auch Ansprüche 9,10,18,19).
  Vorzugsweise erfolgt die Drehbewegung des Kolbens als kontinu­ierliche Rotation, wegen der Massenträgheit. Jedoch ist auch eine Drehbewegung mit periodisch hin- und herwechselnder Dreh­richtung sinnvoll, welche sehr grosse Oeffnungen erlaubt.
  Schmierung: Siehe Punkt 26.
  Abdichtung: Durch Kolbenringe, welche der Form der Steuerkante angepasst sind, für eher untergeordnete Zwecke mit konventio­nellen Kolbenringen oder mit Labyrinthdichtung (Rillen).
  Ideal: Kolbenringlos durch einen Kolben aus Keramik oder einem anderen Werkstoff, welcher nur eine kleine Wärmeausdehnung auf­weist. Der Kolben läuft dann mit minimaler Passung im Zylinder und benötigt keine weiteren Dichtelemente mehr.
• 2. Aufgabenstellung: Eine Kolbenmaschine mit Schlitzsteuerung durch den Kolben, welche auch bei hohem Druck des Arbeitsmediums mit geringer Reibung arbeitet. Sie soll einfach und für alle An­wendungen geeignet sein, die nicht ein kleines Endvolumen erfor­dern.
  Lösung: Eine Dreh-Hubkolben-Maschine, bei welcher der Kolben eine Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen steuert, wobei die Kolbengeometrie zwei typische Merkmale aufweist:
  Erstens ist die Kolbenstirnseite so geformt, dass die Oeffnungen in der Zylinderwand nicht nur durch die Hubbewegung, sondern vor allem auch durch die Drehbewegung des Dreh-Hubkolbens gesteuert werden.
  Zweitens: Eine geringe Reibung wird erreicht, indem der Kolben zugleich auch so geformt ist, dass der Druck des Arbeitsmediums auf die Kolbenstirnseite nur eine resultierende Axialkraft auf den Kolben bewirkt. Durch die spezielle Formgebung heben sich die radialen Querkraftkomponenten gegenseitig auf.
  Beispiele: Bild 5: Kolbenform a und b weisen das zweite Merkmal nicht auf, die übrigen Kolben in Bild 5 sind "querkraftfrei" und erfüllen die Anforderungen. Das zweite Merkmal bedingt übri­gens nicht zwangsläufig eine Symmetrie der Kolbenstirnfläche.
3.und 8. Integrierte Kolbenmaschine im Innern des Dreh-Hub­kolbens, integrierter Vorverdichter
• Möglichkeiten der Vorverdichtung (Aufladung) bei der Dreh-Hub­kolben-Maschine:
• a) mittels Turbo oder Kompressor
• b) mit einem in die Dreh-Hubkolben-Maschine integrierten, mechanischen Vorverdichter.
Funktion des integrierten Vorverdichters:
• siehe als Beispiel Prinzipskizze Bild 16 und die ausführliche Beschreibung auf der übernächsten Seite.
  
Allgemeine Vorteile des integrierten Vorverdichters:
• - Platzbedarf gleich Null: Der Vorverdichter ist völlig in der Dreh-Hubkolben-Maschine integriert. Die Dreh-Hubkolben-­Maschine wird dadurch nicht grösser.
  - Kaum Mehrgewicht: Fast alle Teile sind schon vorhanden. Der auf der Welle befestigte Vorverdichterkolben ist eigentlich das einzige zusätzliche Bauteil.
  - Einfach und billig.
  - Das Gaspolster im Vorverdichter verbessert unter gewissen Voraussetzungen die Laufruhe der Maschine.
  - Die Auslasssteuerung durch den Dreh-Hubkolben ermöglicht es, verschiedene Systeme mit unterschiedlichen Druckniveaus zu speisen. (Siehe hierzu auch Anspruch 16).
  
Anwendungen
• - Zweistufige Kompressoren/ Verdichter.
  - Pumpen oder Verdichten verschiedener Medien mit einer einzi­gen, kompakten Maschine, usw.
  
Diskussion: Anwendung bei (Dreh-Hubkolben-)Verbrennugnsmotoren
• 1) Einsatz als machanischer Lader.
  Gleiche Funktion wie ein externer mechanischer Kompressor.
• 2) Unterstützung des Gaswechsels bei Zweitaktmotoren. - In Analogie zur bekannten Vorverdichtung des Ansauggemischs im Kurbelgehäuse heutiger Zweitakt-Kleinmotoren.
• 3) Turbulenz, Schichtladung, Magermotor:
  (N.B: Anspruch 8 ist die Integreation der inneren Kobenma­schine (integrierter Vorverdichter) in eine Dreh-Hubkolben-­Maschine mit Steuerung des Ladungswechsels gemäss Anspruch 1 oder 2.)
  Es wird nur ein Teil der Ansaugluft dem Vorverdichter einge­spiesen. Nach Verlassen des Vorverdichters gelangt diese re­lativ stark komprimierte "Zusatzluft" auf folgende Weise in den Dreh-Hubkolben-Motor:
  Nach Beendigung des normalen Ansaugvorgangs wird sie durch einen vom Ansaugschlitz getrennten Schlitz eingeblasen.
  Wirkung:
      - Starke Turbulenz
      - Verbesserung der Füllung.
  Den Zeitpunkt des Einblasens kann man optimieren.
  Brennstoff-Einspritzung in die Einblasluft ist sinnvoll.
  Stellen Sie sich nun folgendes vor:
    Der Zylinder ist mit reiner Luft gefüllt. Kurz vor dem Zünden wird eine "Wolke" aus reichem, gut zündfähigem Ben­zin-Luft-Gemisch gegen die Zündkerze hingeblasen.
  Der geneigte Leser weiss, was dies bedeutet:
      - Schichtladung in höchstem Masse und damit
      - gutes Verbrennen eines insgesamt extrem mageren Gemischs,
      - entsprechend extrem niedrige Verbrauchs- und Abgaswerte.
• 4) Mit Vorverdichter aufgeladener Magermotor:
  Für eine eigentliche Aufladung empfiehlt es sich, die gesamte Ansaugluft vorzuverdichten. Der Vorverdichter kom­primiert zusätzlich einen kleinen Teil der Luft auf den höheren Einblasdruck. (Kombination von 1) 3) und 16)).
• 5) Für hohe Aufladung (bei Dieselmotoren) verwendet man am besten Abgas-Turbo- oder Druckwellenlader. Vorteil: Aus­nützung der Abgasenergie. Der integrierte Vorverdichter komprimiert dann einen Teil der Ladeluft auf den höheren Einblasdruck.
• 6) Weitere Anwendungen:
  - Speisung von Servoaggregaten mit Druckluft.
  - Verwendung als integrierte Pumpe anstatt als Verdichter (z.B. als Oelpumpe, Hydraulikpumpe, etc.).
Konstruktives
• - Rückschlagventile im Vorverdichterkolben bei der Bauart mit Ansaugen durch Hohlwelle: Diese werden der Arbeitsart oder dem Arbeitsmedium angepasst. Ausführung als Kugel-, Klappen- ­oder Federlippenventile usw.
  - Die Form der Kolbenstirnseite des Vorverdichterkolbens ist wählbar. Es können sehr hohe Kompressionen erreicht werden.
  - Die gesamte Konzeption eignet sich vorzüglich zur Verwendung exotischer Materialien wie Keramik, Hartstoffe usw.
  
Dreh-Hubkolben-Maschine mit integriertem Vorverdichter (Beschreibung zur Prinzipskizze Bild 16)
• Der Dreh-Hubkolben (Pos 2) rotiert zusammen mit der durchgehen­den Welle (14) und den rotierenden Kolben (Pos 5). Die nur ro­tierenden Kolben (5) sind fest mit der Welle (14) verbunden. Der rotierende Dreh-Hubkolben jedoch wird durch die Kurvenbahn (Pos 3) zu einer zusätzlichen Längs(Hub-)bewegung gezwungen. (Erzeugung der Dreh-Hubbewegung siehe Anspruch 7 oder auch die andern Ansprüche 5 und 6). Der Dreh-Hubkolben ist daher auf einer Welle längs verschiebbar; er kann aber trotzdem ein Drehmoment auf die Welle übertragen (im Bild nicht sichtbar, in den Ansprüchen 21, 22, 23 behandelt).
  Der integrierte Vorverdichter besteht hauptsächlich aus dem rotierenden Vorverdichterkolben (Pos 31).
  Dieser befindet sich im Innen-Hohlraum des Dreh-Hubkolbens (2). Er ist mit der Welle (14) fest verbunden, macht also keine Hub­bewegung. Die oscillierende Hubbewegung des Dreh-Hubkolbens (2) bewirkt daher links und rechts des Vorverdichterkolbens eine Verdichtung des sich dort befindlichen Arbeitsmediums.
Strömungsverlauf: Auslass:
• durch Schlitze in den Mantelflächen des Dreh-Hub­kolbens und des Zylinders. - Die Bewegung des Dreh-Hubkolbens relativ zum Zylinder steuert auto­matisch die Schlitze. (Prinzip ist von Schieber­steuerungen her bekannt).
Einlass:
• a) Einströmen durch die Mantelfläche nach dem selben Prinzip wie beim Auslass.
• b) Einströmen durch die Hohlwelle und den Vorverdich­terkolben. Vorteil: Kühlung der Welle.
  Die Steuerung des Einlasses übernehmen Rückschlag­ventile. (Schmatische Skizze im Bild 16 Pos. 32)
• c) Kombination von a) und b).
• Selbstverständlich wäre es auch möglich, den Auslass an Stelle des Einlasses durch die Hohlwelle zu führen.
Erzeugung der Dreh-Hubbewegung 4. und 9. "Elektrische" Dreh-Hubkolben-Maschine
• Anspruch 4 und 9: Diese Ansprüche zeigen, wie mit elektrischer Energie direkt die erwünschte Dreh-Hubbewegung erzeugt werden kann. Ebenso kann diese Maschine direkt die Dreh-Hubbewegung in elektrische Energie umwandeln.
  In herkömmlichen Maschinen wird beispielsweise zuerst mit einem Elektromotor eine Welle in Rotation versetzt. Diese Wellenrota­tion treibt z.B. eine Pumpe. In der Pumpe muss die Wellenrota­tion mechanisch, z.B. mittels Kurbeltrieb, in eine Hubbewegung umgewandelt werden. Damit wird der Kolben bewegt.
  Bei der Dreh-Hubkolben-Maschine mit Bewegungserzeugung gemäss Anspruch 4 oder 9 geschieht dies alles mit nur einer Maschine, einer "elektrischen Dreh-Hubkolben-Pumpe".
Anwendungsbeispiele: - Als Motor:
• Der elektrische Strom erzeugt direkt eine Dreh-Hub­bewegung. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Pumpe mit Schlitzsteuerung der Ein- und Auslässe mit dem Dreh-Hubkolben (bespielsweise gemäss An­spruch 2) mit nur einem einzigen beweglichen Teil gebaut werden: dem Dreh-Hubkolben!!
- Generator:
• Die Dreh-Hubkolben-Maschine arbeitet beispielsweise als Verbrennungsmotor. Die Hubkräfte auf den Kolben erzeugen elektrische Energie. Zugleich wird, durch die magnetischen Kräfte, dem Kolben auch die Dreh­bewegung überlagert. Somit ist auch eine Steuerung des Ladungswechsels nach Anspruch 1 od. 2 möglich.
Konstruktive, charakteristische Eigenschaften:
• Der Anker ist speziell geformt, siehe als Beispiele Bild 20 und 22. Dies ist die wichtige, charakteristische Eigenheit.
  Wir unterscheiden zwei Anker-Bauarten:
• a) Der Anker ist mit ortsfesten Magnetpolen versehen.
  Das heisst, der Anker enthält entweder Wicklungen, oder ist mit Dauermagneten versehen bzw. ist dauermagnetisiert.
• b) Der Anker ist zwar magnetisierbar, aber nicht dauermagne­tisch. Das heisst, er besteht aus einem Werkstoff mit geringer magnetischer Remanenz.
Funktion: a) Anker mit ortsfesten Magnetpolen:
• Die Drehbewegung kann prinzipiell genau gleich erzeugt werden, wie bei konventionellen Elektromotoren (sinngemäss gilt dies alles auch für Elektrogeneratoren). Alle bekannten Bauarten mit Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom, einpolig, mehrpolig oder Bauarten als Schrittmotor, usw. sind anwendbar.
  Durch die Form des Ankers ergibt sich mit der Drehbewegung auch die Hubbewegung des Kolbens: Der Stator führt an einer oder an mehreren Stellen durch magnetische Kräfte die angrenzende Man­telfläche des Ankers. Siehe Beispiel Bild 17: Oben am Stator ist die Stelle, wo dieser die Mantelfläche des Ankers führt. Unten ist das Feld des Stators axial viel breiter. Dort wird die axiale Bewegung der Anker-Mantelfläche zugelassen.
  Zusätzlich kann man folgendermassen die mögliche Axialkraft auf den Anker erhöhen: Der Stator wirkt nicht nur dort mit Axial­kräften auf die Mantelfläche des Ankers ein, wo er den Anker führt. Er unterstützt auch die relative Axialbewegung der An­ker-Mantelfläche zum Stator an anderen Stellen durch treibende Kräfte. Diese treibenden Kräfte oscillieren entsprechend der Be­wegung der Anker-Mantelfläche. Sie bewirken dadurch nicht nur grössere mögliche Axialkräfte, sie können dadurch auch die Dreh­bewegung unterstützen.
b) Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermagnetischem Werkstoff, ohne Spulen auf dem Anker: Vorteile:
• Sehr günstig herstellbar.
  
• Keine Stromzufuhr zum drehenden Anker.
  Mit einer herkömmlichen, rotationssymmetrischen Ankerform könnte man auf diese Weise keine Drehbewegung erzeugen. Zwar kann der Anker durch den Stator magnetisiert werden, doch wandern die magnetischen Pole auf dem Anker mit.
  Durch die besondere Form des Ankers nach Anspruch 4, werden sol­che Elektromotern realisierbar. Siehe Bild 18 bis 21. An min­destens einer Stelle wirkt der Stator mit einem starken Feld auf den Anker und magnetisiert den Anker. Dadurch entstehen auf dem Anker eine ganze Anzahl magnetischer Pol-Paare, d.h. eine gerade Anzahl Magnetpole. Die treibenden Kräfte wirken nun nicht, wie bei einem konventionellen Elektromotor, in rein tangentialer Richtung. (N.B: Die radiale Kraftkomponente zwischen Statorpol und Anker wird als selbstverständlich vorausgesetzt und hier deshalb nicht extra erwähnt.). Die treibenden Kräfte des Stators wirken primär in axialer Richtung. Für die Erzeugung der Drehbe­wegung ist jedoch auch eine tangentiale Kraftkomponente erfor­derlich. Durch die Form des Ankers entsteht diese tangentiale Kraftkomponente automatisch, ausser wenn der Anker in einem Be­wegungstotpunkt liegt. Deshalb hat die Maschine in Bild 18 bei­spielsweise eine Hilfswicklung (46) für den Start der Maschine. Die Maschine in Bild 19 weist einen Führungspol (44) und drei Stellen am Stator auf, die den Anker treiben. Die treibenden Pole werden hier so gesteuert, dass der Anker kontinuierlich den anziehenden Kräften der treibenden Magnetfelder folgt. Nach Bild 20 und 21 entstehen zwei Hubzyklen pro Umdrehung. Die Form des Ankers ist in Bild 22 perspektivisch dargestellt. In Bild 20 haben wir zwei Führungspole (44). Die relative Bewe­gung der Anker-Mantelfläche zum Stator weist an diesen Stellen "Knotenpunkte" auf. Auch diese Maschine braucht für den Start aus der gezeichneten Stellung eine Startvorrichtung (nicht ge­zeichnet).
  Solche Maschinen mit mehreren (ideal min. 3) Magnetpolen am Sta­tor, welche den Anker mit magnetischen Kräften anziehen, können im übrigen auch leicht dazu benützt werden, um den Anker auch in radialer Richtung zu führen: Der Abstand zwischen Anker und Stator wird z.B. elektronisch geregelt und durch die Variation der Magnetkräfte konstant gehalten. Dadurch dient diese Vorrich­tung zugleich als magnetisches, praktisch reibunbsfreies Magnet­ lager. Mit zwei solchen Vorrichtungen ist die Welle bzw. der Kolben sauber gelagert.
  In Bild 21 haben wir wiederum zwei Führungspole, aber drei Stel­len am Stator, die treibend auf den Anker wirken. Bei solchen Maschinen ist darauf zu achten, dass die treibenden Pole (45) nicht gleichzeitig schlagartig ihre Polarität wechseln und den Anker abstossen. Da sie in der Ueberzahl sind, können sie sonst den Anker ummagnetisieren. Mit Mehrphasen-Wechselstrom läuft die Maschine nach Bild 21 so, dass sich sämtliche Pole immer anzie­hen. Dadurch kann der Anker hohe Axialkräfte ausüben bzw. aus­halten. Wirken auch die treibenden magnetischen Statorkräfte im­mer anziehend auf den Anker, so übernehmen eigentlich auch die treibenden Pole axiale Führungsaufgaben. Nach diesem Prinzip sind auch Maschinen realisierbar, die keine eigentlichen, orts­festen Führungspole mehr am Stator haben, sondern nur noch wan­dernde, treibende Felder, welche den Anker in der richtigen Po­sition umher führen. Durch die Loslösung des Ankers von einer Führungsstelle, oder durch das Wechseln von Führungsstellen, ist die Hublänge und die Bewegungsform variierbar. (Dies gilt auch für die Variante a mit Spulen im Anker). Durch das Verstellen der Hublänge des Kolbens kann beispielsweise bei Pumpen die För­dermenge verstellt werden. (Siehe dazu auch Anspruch 20). Der Betrieb der elektrischen Dreh-Hubkolben-Maschine in den ge­bräuchlichsten Bauformen mit den verschiedenen Stromarten ist in Anspruch 9 nachzulesen.
  Alternative Bauform: Der aussen angeordnete Stator weist die beschriebenen Funktionen und Merkmale des Ankers auf. Analog weist der Anker die beschriebenden Funktionen und Merkmale des Stators auf. Dies kann man sich folgendermassen vorstellen: Tauscht man die Worte "Stator" und "Anker" miteinander aus, so entsteht eine analoge, aber unterschiedliche Bauform. Die Man­telfläche des Ankers ist dann analog als Innenfläche des Stators zu verstehen. Beispiel: Der aussen liegende Stator weist die schräge oder kurvenförmige Form auf, wie sie oben für den Anker beschrieben wurde. Der Anker führt und treibt mit seinen Magnet­ feldern den Stator, so dass der Stator relativ zum Anker eine Dreh-Hubbewegung macht, usw.. In den allermeisten Fällen ist dies die ungünstigere Bauart: Meist steht relativ zur Umgebung der aussenliegende Stator still. Dadurch ist die Stromzufuhr zum Stator einfacher als zum drehenden Anker. - Und dies ist ja ein grosser Vorteil dieses Systems mit Anker ohne Spulen.
"Mechanische" Dreh-Hubkolben-Maschinen:
• 5., 10., 11. Exakte geometrische Definition siehe Anspruch 5. Anschauliche Definition anhand eines Ausführungsbeispiels (siehe Bild 1 und 6):
  Die Hubbewegung wird bei dieser Dreh-Hubkolben-Maschine folgen­dermassen in eine Drehbewegung umgewandelt (bzw. umgekehrt): Die taumelscheibenartige Welle (Bild 1, Pos. 35 oder Bild 6, Pos. 37) ist fest mit dem Kolben verbunden bzw. ist ein Bestand­teil des Kolbens. Dreht sich der Kolben, so macht diese Welle eine Taumelbewegung. Nach einer halben Umrehung wechselt die Stellung wie in Bild 1 links dargestellt in eine Stellung wie rechts dargestellt. Diese beiden Stellungen bilden die beiden extremen Hubstellungen (Hubbewegungs-Totpunkte). Das Uebertra­gungselement (38) überträgt die Kräfte vom Kolben auf den Zylin­der. Durch taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement entsteht aus der Hubkraft ein Drehmoment bzw. umgekehrt. Damit der Kolben, die taumelscheibenartige Welle und das Führungsele­ment in ihren Bewegungen nicht behindert werden, ist die Verbin­dung zwischen Uebertragungselement und Zylinder gelenkig. Die genauen geometrischen Anforderungen sind in Anspruch 5 beschrie­ben. Die Beispiele Bild 1 und 6 zeigen drei Beispiele von vielen Möglichkeiten.
  Das Beispiel in Bild 1 arbeitet ohne Kugelgelenk mit zwei inei­nanderliegenden Gelenken. Das innere Gelenk überträgt nur ra­diale Kräfte und ist axial verschiebbar. Das äussere Gelenk mit Drehachse senkrecht zur Zeichnungsebene überträgt auch axiale Kräfte. (N.B: Zentrale Welle (14) siehe Anspruch 21 und 22).
  Im Beispiel nach Bild 6 ist die taumelscheibenartige Welle in den Kolben eingeformt. Das Gelenk ist als Kugelgelenk ausgebil­det. Bild 6 a und b unterscheiden sich nur durch die verschie­dene Art der Kompensation der Längsverschiebung des Gelenkpunk­tes. Bei den gezeichneten Stellungen ist der Gelenkpunkt am nächsten bei der Zylinderachse. Nach einer viertel Umdrehung ist der Gelenkpunkt ein wenig von der Zylinderachse weggerückt.
Anwendungen: Motoren:
• Das Gelenk in Bild 1 ist absichtlich sehr gross dimensioniert gezeichnet. Einerseits ist dadurch die Funktion besser ersicht­lich. Andrerseits soll damit illustriert werden, dass diese Vor­richtung sehr fest dimensioniert werden kann und daher auch für Grossmotoren geeignet ist, z.B. für Schiffe. (Pos 37 und 38 kön­nen ebenfalls beliebig stark dimensioniert werden). Die schlanke Bauform ist zudem ideal für einen tiefen Einbau längs im Kiel. Die schlanke Bauform und das geringe Gewicht sind auch für Flug­zeugmotoren und Fahrzeugmotoren interessant, usw.
  Dazu kommen die weiteren Vorteile des Dreh-Hubkolben-Motors, z.B. die einfache Steuerung des Ladungswechsels.
  
Uebrige:
• Einfachheit und Kompaktheit und die Möglichkeit der einfachen Steuerung des Ladungswechsels machen diese Maschine für fast alle Anwendungen interessant. Die schlanke Bauform ist z.B. ideal für Erölpumpen.
  
Varianten:
• - Zwei solche Vorrichtungen pro Dreh-Hubkolben, wobei die Ge­lenke diametral gegenüberliegen. Dadurch wird die Exzentri­zität der axialen Kraftwirkung auf den Kolben kompensiert.
  - taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement bilden zusammen einen Elektromotor bzw. Elektrogenerator. (Anspruch 11).
  
• 6., 12. Diese Dreh-Hubkolbenmaschine erfüllt den gleichen Zweck wie die vorher besprochene.
Funktion:
• Exakte geometrische Definition siehe Anspruch 6.
  Anschauliche Definition anhander der Beispiele Bild 7 und 8: Die "Hohlwelle" (Pos 40) ist drehbar im Zylinder (1) gelagert. Verfolgt man einen Punkt auf der Hohlwelle, z.B. den Gelenkpunkt (Pos 42), so sieht man sofort folgendes: Mit der Drehung dieser Hohlwelle führt dieser Punkt auch eine Axialbewegung relativ zum Zylinder aus. Der Kolben wird in eine Dreh-Hubbewegung versetzt. Umgekehrt dreht die Hubbewegung des Kolbens die Hohlwelle.
  Die Gestaltung des Gelenks ist im Anspruch 6 analog zu demjeni­gen von Anspruch 5 definiert. Bild 7 und 8 zeigen wiederum zwei von vielen möglichen Beispielen.
  
Anwendungen:
• wie Anspruch 5.
  
Unterschiede zu Anspruch 5:
• - Der axiale Platzbedarf im Zylinder ist hier geringer. Dadurch kann der Dreh-Hubkolben kürzer gebaut werden.
  - Die konstruktive Krafteinleitung auf den Kolben ist unter­schiedlich
  - Das Gelenk rotiert um die Zylinderachse.
  
Varianten:
• - Ebenso ist auch hier die Anordnung von zwei solchen Vorrich­tungen pro Dreh-Hubkolben möglich. Dadurch kann der exzentri­sche Kraftangriff auf den Kolben kompensiert werden.
  - Das die Hohlwelle umgebende Zylinderteil und die Hohlwelle werden als Elektromotor oder Elektrogenerator ausgebildet. (Anspruch 12)
  - Die Drehung der Hohlwelle kann direkt nach aussen übertragen werden, indem die Hohlwelle beispielsweise einen Zahnkranz trägt, der mit einem weiteren Zahnrad oder einem Getriebe im Eingriff steht.
  
• 7., 13. Für die Kolbenbewegung verantwortlich ist eine räumliche Kurvenbahn (Bild 9..11, Pos 3), z.B. in Form einer Kurvenscheibe oder einer umlaufenden Nut, die sich auf Führungen (4), wie beispielsweise Rollen oder Gleiter, abstützt.
  Die räumliche Kurvenbahn (Pos 3) ist normalerweise direkt mit dem Kolben (2) verbunden und reproduziert bei jeder Drehung das in seiner Kurvenform "gespeicherte" Hubkinematik -"Programm". Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Anordnung denkbar, nämlich die Führungen auf dem Kolben und die Kurvenbahn am Zylinder befestigt.
  Theoretisch ist jede ganzzahlige Anzahl Hubzyklen pro Vollumdre­hung möglich - und eine beliebige Kinematik der Bewegung.
  Bei mehreren Hubzyklen pro Umdrehung sind auch mehrere Führungen am Umfang einbaubar. Dadurch wird ein exzentrischer Kraftangriff auf den Kolben vermieden.
  Anspruch 13 löst folgendes Problem: Auf Bild 13 ist deutlich zu sehen, dass sich die Kurvenschibe verjüngt und wieder verdickt. Dies ist bedingt durch eine fixe Befestigung der Führungsrollen. Mit einer Wippe (Bild 12) bleibt die Dicke der Kurvenscheibe über den ganzen Umfang konstant.
14. Kombinationen:
• Selbstverständlich passen die erwähnten Ansprüche zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung ideal zusammen mit der Steuerung des Ladungswechsels nach Anspruch 1 oder 2 und/­oder auch mit der integrierten Kolbenmaschine (integrierter Vor­verdichter) nach Anspruch 3 und/oder 8.
15. Abstimmen von Schlitzsteuerung, Kolbenform und -bewegung
• a) Ausschlaggebend ist der Ladungswechsel und die Kolbenform:
  Bei 2-Takt-Motoren, Pumpen und Verdichtern ist nach einer Hin- ­und Herbewegung des Kolbens ein Arbeitszyklus (bestehend aus zwei Takten) abgeschlossen.
  Beim 4-Takt-Motor braucht ein ganzer Arbeitszyklus (bestehend aus den 4 Takten Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Auspuffen) 2 Hin- und Herbewegungen des Kolbens, d.h. zwei Arbeitszyklen.
  Da nun die Drehung der Kolben massgebend die Steuerung des La­dungswechsels bestimmt, und da das "Programm" für die Steuerung des Ladungswechsels als Periode einen ganzen Arbeitszyklus um­fasst, ist es am besten, wenn die (assymmetrischen) Kolben eine Umdrehung pro Arbeitszyklus machen.
  Siehe Bild 3 und 4.
  Ausnahmen: Bei Kolbenformen, bei denen sich nach einer halben Umdrehung die Stellung der Steuerkante wiederholt, ist eine halbe Umdrehung pro Arbeitszyklus angepasst. (Analog, bei ent­sprechender Kolbenform, ein Drittel, Viertel, usw.).
  Beispiele siehe Bild 5 c,d,e.
  Die meisten "querkraftfreien" Kolben sind solche Ausnahmen. Zweite Ausnahme: Der 2-Takt-Verbrennungsmotor, bei dem nur der Dreh-Hubkolben die Oeffnungen steuert: Der ganze Gaswechsel fin­det nur in der unteren Hälfte des Hubes statt. In diesem Zeit­punkt ist eine schnelle Drehung des Kolbens erwünscht. Nachher in der oberen Hubhälfte hat die Drehstellung des Kolbens keinen Einfluss auf die Steuerung mehr. Dort darf der Kolben problemlos eine "Leerlauf"-Drehbewegung machen. Dies bedeutet also, dass der Kolben zwei Umdrehungen pro Hubzyklus (ein halber Hubzyklus pro Umdrehung) machen dürfte. Oder dass man eine "querkraftf­reie" Kolbenform wählen darf, bei der sich die Stellung der Steuerkante nach einer halben Umdrehung wiederholt. Dann ist ein Hubzyklus pro Umdrehung richtig.
  Folglich wählt man normalerweise (je nach Kolbenform):
  - Dreh-Hubkolben-Maschine mit einem Hubzyklus pro ganze (bzw. halbe,..) Umdrehung
  für sämtliche Pumpen und Verdichter und für 2-Takt-Motoren.
  - Zwei Hubzyklen pro ganze (bzw. halbe,..) Umdrehung für 4-Takt-Motoren.
  Mit Dreh-Hubkolben-Maschinen z.B. nach Anspruch 4, 7, 9, 13 sind eine beliebige Anzahl Hubzyklen prc Umdrehung erreichbar. Nach Anspruch 5, 6, 10, 11, 12 ist man auf einen Hubzyklus pro Umdrehung beschränkt.
• b) (Willkommene) Auswirkungen auf die Tourenzahl:
  Bei einer gegebenen Hubfrequenz wird durch die Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung die Tourenzahl der Welle bestimmt, bzw. umgekehrt.
  Bei Pumpen und Verdichtern z.B. kann bei gegebener Tourenzahl die Hubfrequenz erhöht werden.
  Für Propellerantriebe bei Fugzeugen und für Schiffsschrauben-­Antriebe will man wegen des Propeller- bzw. Schrauben- Wirkungs­grades eine langsame Wellendrehzahl. - Langsamlaufende Motoren haben jedoch ein schlechtes Leistungsgewicht, schnellaufende Mo­toren würden ein Getriebe erfordern.
  Im Vergleich zum Hubkolbenmotor mit Kurbeltrieb dreht ein 4-Takt-Dreh-Hubkolben-Motor mit Schlitzsteuerung bei gleicher Hubfrequenz genau mit halber Wellendrehzahl; oder sogar nur mit einem Viertel der Wellendrehzahl, je nach Kolbenform.
  Für die Anwendung bei Flugzeugen spricht zudem speziell:
  - die sehr schlanke, zylinderförmige Motorkontur mit zentraler (Propeller-) Welle, die man strömungsgünstig in die Flügel integrieren kann. (Beim Dreh-Hubkolben-Motor kann man problem­los 4, 6, 8 oder mehr Brennräume und eine entsprechende Anzahl Kolben in einem Zylinder hintereinander einbauen).
  - das äusserst geringe Gewicht des Dreh-Hubkolben-Motors.
16. Verwendung der Schlitzsteuerung für Spezialzwecke
• a) Beispiel: Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader:
    Durch das Verbrennen des Luft-Brennstoffgemisches hat eine starke Erhöhung von Druck und Temperatur stattgefunden. Wenn der Auslass öffnet, ist der Druck im Zylinder noch um ein Vielfaches höher als im Abgassammelrohr vor dem Turbolader. Das Abgas strömt mit Schallgeschwindigkeit aus und wird auf das Druckni­veau des Abgassammelrohrs entspannt. Dadurch geht viel Nutz­energie verloren.
  Es ist besser, wenn in dieser ersten Phase der Druck im Abgas­sammelrohr relativ hoch ist. Dadurch erhält der Abgasturbolader mehr Energie. Wenn der Druck im Abgassammelrohr ungefähr den halben Zylinderinnendruck nicht übersteigt, so wird trotzdem Schallgeschwindigkeit erreicht. Das heisst: Die Entleerung des Zylinders wird nicht verlangsamt, der Motor "spürt" den höheren Gegendruck noch nicht.
  In der zweiten Phase, nach dem unteren Totpunkt, wenn der Druck im Zylinder abgefallen ist, sieht die Situation anders aus:
  Jetzt erschwert der hohe Gegendruck die ausstossende Hubbewegung des Kolbens. Daher öffnen wir jetzt mit dem Kolben den zweiten Auslasskanal und verschliessen den ersten Hochdruck-Auslass (entweder mit dem Kolben oder mit einem Rückschlagventil). Im zweiten Auslasskanal herrscht ein geringer Gasdruck. Im ein­fachsten Fall führt er via Schalldämpfer direkt ins Freie. Wegen der höheren Ausbeutung der Abgasenergie in der ersten Pha­se erhält der Turbo genügend Energie und benötigt daher nicht die gesmte Abgasmenge.
  Der Zylinder-Innendruck ist nun folglich beim Ansaugen der aufgeladenen Luft bedeutend höher als beim Auspuffen. Daher erzeugt der Viertaktmotor auch während des Gaswechsels eine deutlich spürbare zusätzliche Leistung.
  Beim Zweitakt-Motor erreicht man einen ungemein schnellen und wirkungsvollen Gaswechsel.
  Mit entsprechendem Aufwand (Grossmotoren) kann man die Entropie noch weiter vermindern, indem man mehr als zwei Auslasskanäle anordnet und den Druck feiner abstuft. Der erste Auslass geht auf eine Hochdruckstufe des Turboladers, der zweite auf eine Mitteldruckstufe usw.
    Ein deutlicher Vorteil ergibt das oben erwähnte Prinzip auch für die "Zusammenarbeit" zwischen Motor und Turbo und für die Motorcharakteristik:
  Nehmen wir folgendes Beispiel an: Der erste Auslass ist so aus­gelegt, dass bei Vollast und relativ tiefer Drehzahl das Abgas, während der Oeffnungszeit des ersten Auslasses, mit Schall­geschwindigkeit ausströmt. Nun erhöhen wir die Drehzahl: Die absolute Dauer der Oeffnungszeit des ersten Auslasses verkürzt sich linear mit der Drehzahl. Dafür erhöht sich linear die An­zahl der Oeffnungen pro Zeiteinheit. Folglich bleibt die Abgas­menge und Energie vom ersten Auslass für den Turbolader kon­stant.(Gleiche Last und Verbrennungsverhältnisse vorausgesetzt). Auf der Verdichterseite ergibt sich bei höherer Drehzahl des Motors ein erhöhter Luftbedarf, - der Aufladedruck sinkt. Das Drehmoment des Motors nimmt also mit abnehmender Drehzahl zu - , genau das erwünschte Gegenteil einer typischen Turbo-­Motor - Charakteristik.
  Durch die Auslegung des ersten Auslasses kann also der Konstruk­teur die Leistungscharakteristik des Turbo aufgeladenen Motors bestimmen. Das Steuern oder Regeln des Turbos (abblasen usw.) wird überflüssig.
• b) Das selbe Prinzip, nämlich das "Sortieren" des Arbeitsmediums nach dessen Gehalt an innerer Energie, lässt sich auch bei Verdichtern verwirklichen: Ein Verdichter kann verschiedene "Verbraucher" mit unterschiedlich stark komprimiertem Gas ver­sorgen. Funktion und Beispiele wurden im Zusammenhang mit dem integrierten Vorverdichter erklärt. (Siehe Beschreibung zu 3 und 8). Für die Speisung von verschiedenen Hydraulik-Systemen mit unterschiedlichen Drücken funktioniert das System ebenfalls.
• c) Beispiel Ottomotor: Um die Zylinderfüllung und dadurch die Leistung verringern zu können (Teillast), verwendet man heute Drosselklappen im Ansaugkanal. Der durch das Drosseln entstehen­de Unterdruck beim Ansaugen ergibt Wirkungsgrad-Einbussen. Beim Dreh-Hubkolbenmotor kann man ungedrosselt ansaugen und die Füllung folgendermassen vermindern: Zu Beginn des Verdichtungs­taktes lässt man das angesaugte Medium durch Schlitze, die man mit Drosselklappen verschliessen kann, wieder entweichen. Faktisch verkürzt man dadurch den wirksamen Hub, variiert also den wirksamen Hubraum. (Dieses Prinzip lässt sich auch für die Variierung der Fördermenge von Pumpen und Verdichtern anwenden.
• d) Da man mit dem Dreh-Hubkolben sehr schnell beliebige Schlitze in der Zylinderwand öffnen und schliessen kann, bietet sich an:
      - Einblasen von vorverdichteter Zusatzluft während des Verdichtens (siehe Beschreibung zu 3 und 8, integ­rierter Vorverdichter)
      - Einblasen von Zusatzluft während des Verbrennungs­vorgangs. Zweck: Wirkung als Thermoreaktor, um die Bildung von Stickoxiden zu minimalisieren.(NOx)
• e) Die Fähigkeit des Dreh-Hubkolbens, Oeffnungen, bzw. Flächen in der Zylinderwand abzudecken, kann auch dazu benützt wer­den, Ventile, Düsen, Zünder, Sensoren usw. vor den hohen Ver­brennungstemperaturen oder den hohen Drücken zu schützen.
17. Verstärkung der Rotation des Mediums
• Die Rotation des Mediums unterstützt die Strömungsvorgänge beim Ladungswechsel. Weitere Anwendungsbeispiele:
  
• a) Beim Verbrennungsmotor wird die schnelle Ausbreitung der Ver­brennung und die Zündwilligkeit, vor allem bei mageren Gemi­schen, wesentlich gesteigert, wenn das Arbeitsmedium kräftig verwirbelt wird. Siehe Bild 14.
  Man kann sogar anstreben, dass die Trägheitskräfte (Zentrifu­genwirkung) eine Schichtung der Ladung erzeugen, d.h. dass an der Peripherie bie der Zündkerze das Gemisch reicher und da­mit zündwilliger ist als im Zentrum des Arbeitsraumes.
• b) Bei Pumpen und Verdichtern kann man durch das Umrühren für bestimmte Einsatzzwecke
  - eine Entmischung des Pumpmediums oder eine Sedimentation verhindern
  - mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten ein gezieltes Auszentri­fugieren des Mediums bewirken.
  - Vernetzungsvorgänge im Pumpmedium während des Pumpens verhindern
  - das Festkleben oder Angefrieren des Mediums an der Zylin­derwänden verhindern
  - Durch ein sich gegen die Zylinderwand hin konisch vergrös­serndes Endvolumen im oberen Totpunkt, wird bei zähflüssi­gen Pumpmedien zudem das radiale Ausstossen erleichtert.
• 18. Der klassische Kurbeltrieb bei der Hubkolbenmaschine treibt den Kolben in einer zeitlich sinusförmigen Hubbewegung mit überlageren Oberschwingungen. So verweilt der Kolben etwas länger im Bereich des unteren Totpunktes als im Bereich des ob­eren Totpunkts. Bei vielen Anwendungen wäre ein anderer Verlauf der Kolbenbewegung, d.h. eine andere Hubkinematik, wünschens­wert.
  Die Hubkinematik der Dreh-Hubkolben-Maschine nach den Ansprü­chen 4, 9, 7 und 13 kann man völlig frei wählen und auf den An­wendungszweck abstimmen. Bei den übrigen Ansprüchen bezüglich Erzeugung der Kolbenbewegung kann die Hubkinematik in einem ge­wissen Rahmen auch gewählt werden. Im Anspruch 18 ist erwähnt, mit welchen geometrischen Grössen man die Hubkinematik dieser Systeme beeinflusst. Anwendungsbeispiele sind auch aufgeführt.
• 19. Die Veränderung der Synchronisation zwischen Kolbendreh­ung und der Hubbewegung kann beispielsweise bezwecken:
  - Anpassen der Steuerzeiten an den Betriebspunkt der Maschine (Drehzahl, Last etc.)
  - Umstellen der Steuerzeiten auf Rückwärtslauf bei Motoren ohne Umkehrgetriebe (z.B. Gross-Schiffsdiesel).
20. Hubverstellung:
• Einrichtungen zum Verstellen der Hublänge werden normalerweise eingesetzt, um das Fördervolumen einer Pumpe oder das Schluck­volumen eines (Hydraulik-) Motors zu verändern, z.B. bei hydro­statischen Getrieben.
Uebertragung der Kolbendrehung nach aussen
• 21. Wir haben gesehen, dass der Kolben eine Dreh-Hubbewegung ausführt. Die Uebertragung der Drehung des Kolbens vom Innern der Maschine nach aussen ist Gegenstand dieses Punktes:
  Man stelle sich eine zentrale Welle vor, die auf der Mittelachse des Zylinders durch die Maschine geht und an einem Ende der Ma­schine (oder an beiden Enden) stirnseitig nach aussen führt. Auf dieser Welle ist der Kolben so aufgesteckt, dass er sich auf der Welle längs verschieben, aber sich gegenüber der Welle nicht verdrehen kann. D.h., der Kolben kann ein Drehmoment auf die Welle übertragen und trotzdem die Hubbewegung ausführen. (Dies ist konstruktiv realisierbar mit Formschluss, beispielsweise mit Keilbahn und Keil, oder mit einer Konstruktion nach Anspruch 22 oder 23).
  Oder man lässt die Welle die Hubbewegung des Kolbens mitmachen und kompensiert dann die Hubbewegung der Welle an andrer Stelle, z.B. an der Stirnseite der Maschine.
  Die Abdichtung der Welle geschieht problemlos z.B. mit Stangen­dichtungen (analog zu den Kolbenringen beim Hubkolbenmotor, aber innendichtend!).
• 22. Wie wir bei Punkt 21 gesehen haben, wird zwischen Dreh-­Hubkolben und zentraler Welle das Drehmoment übertragen. Gleich­zeitig muss sich der Kolben auf der Welle längs verschieben kön­nen, um die Hubbewegung auszuführen.
  Mit Wälzkörpern (Rollen etc.) kann man diese Drehmomentübertra­gung so gestalte, dass auch die Hubbewegung mit wenig Reibung läuft. Eine solche Konstruktion würde beispielsweise ähnlich gestaltet wie die homokinetischen Wellengelenke mit Längenaus­gleich, die man vom Auto - Vorderradantrieb her kennt. Diese Konstruktion gleicht zudem Fluchtungsfehler aus.
• 23. Membranen oder Bälge (siehe Bild 15 a und b) können mit ihrer Drehsteifigkeit (und -festigkeit) ebenfalls das Drehmoment übertragen. Die Hubbewegung nehmen sie mit ihrer hohen Elastizi­tät in axialer Richtung auf.
  Diese Konstruktionen sind sehr billig und praktisch reibungsfrei.
• 24. In den Ansprüchen 21 bis 23 wurde die Uebertragung der Kolbendrehung vom Innern der Maschine nach aussen mittels einer zentralen Welle behandelt. Eine andere Möglichkeit ist die Uebertragung der Drehung über die Mantelfläche eines der ro­tierenden Teile.
  Auf diese Weise kann die gesamte Leistung übertragen werden (beispielsweise formschlüssig über Zahnräder), oder es können auf diese Weise Hilfs-Aggregate angetrieben werden.
  Auch die Umwandlung der Kolbenbewegung durch eines der nur dre­henden Teile in elektrische Energie ist sinnvoll, z.B. indem der Anker eines konventionellen elektrischen Motors oder Generators direkt auf dem drehenden Teil befestigt ist.
  Bei der Maschine nach Anspruch 4 kann die Drehbewegung sowieso direkt über die Mantelfläche des Dreh-Hubkolbens elektromagne­tisch nach aussen übertragen und in elektrische Energie umgewan­delt werden (bzw. umgekehrt).
  Eine Bewegungsübertragung, speziell für die Dreh-Hubkolben-Ma­schine nach Anspruch 6, ist in Anspruch 12 behandelt.
• 25. Die Uebertragung des Drehmoments von Kolben zu Kolben kann anstatt mit einer Welle auch ganz einfach formschlüssig durch die Kolbenoberflächen erfolgen, welche im Sinne einer "Klauenkupplung" geformt sind. Kolbenformen nach Bild 5 c..e eignen sich beispielsweise dafür.
  Kolbenform und Hublänge müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Kolben bei jeder Hubstellung dauernd ineinander im Eingriff bleiben.
  Um die Reibung zu vermindern, kann die Kraft anstatt direkt via Gleitflächen auch indirekt via Wälzkörper übertragen werden, die zwischen den beiden Kolbenflächen liegen.
26. Schmierung
• Die Rotation des Kolbens auf der Zylinderwand kann ausgenützt werden, um einen hydrodynamischen Schmierzustand zu erreichen (Aufschwimmen auf dem Schmierfilm). - Beim konventionellen Hub­kolbenmotor tritt hier normalerweise Mischreibung auf.
  Zudem steigert sich dadurch die Fähigkeit, eventuell vorhandene Querkräfte aufzunehmen. - Der konventionelle Kurbeltrieb erzeugt eine Querkraft auf den Kolben, die mit der Kurbelwellendrehung in Betrag und Richtung ändert (Ursache des Kolbenkippens).
  Bei der Dreh-Hubkolben-Maschine hängt es von der Bauart ab, ob überhaupt Querkräfte auftreten:
  Querkräfte vorhanden sind bei den Maschinen mit nur einem Hub­zyklus pro Umdrehung und nur einer Vorrichtung zur Bewegungser­zeugung pro Kolben (Ausnahme: gewisse Bauarten von Anspruch 4). Der exzentrische Kraftangriff bewirkt ein Moment auf den Kolben, das sich als Querkräftepaar manifestiert. Diese Querkräfte auf den (doppeltwirkenden) Dreh-Hubkolben sind etwa vergleichbar mit denen der Hubkolbenmaschine und können daher vom Dreh-Hubkolben, ebenso wie eventuelle Querkräfte infolge der Mediumsdrücke, problemlos und reibungsarm aufgenommen werden.
  Keine Querkräfte entstehen normalerweise bei den Dreh-Hubkolben-­Maschinen mit mindestens zwei Hubzyklen pro Umdrehung.
  Und auch die Mediumsdrücke erzeugen keinerlei Querkräfte, wenn die Kolbenstirnfläche entsprechend (z.B. punktsymmetrisch) gestaltet ist (Bild 5 c..e).
  Zurück zur Schmierung: Um zu vermeiden, dass das Schmiermittel in den Arbeitraum oder in die Auslassöffnugnen gelangt, wird im Zylinder ein Abstreifring montiert.
• 27. Die einfache Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewe­gung nach einem der Ansprüche 4..7, 9..13 hat auch dann Vortei­le, wenn die Kolbendrehung nicht erwünscht ist und daher aufge­hoben wird. Typisches Anwendungsbeispiel ist die Membranpumpe.
• Bild 1: Schematische Zeichnung eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben-Motors mit vier Arbeiträumen, Ladungswechsel nach Anspruch 1, Erzeugung der Kolbenbewegung nach Anspruch 5. (Vgl. auch Bild 13)
• Bild 2: Illustration der Steuerung des Gaswechsels mit den Kolben. Die Kolbenbewegung wird mit einem konventionellen Kreuzkopf-Kurbeltrieb erzeugt. Zusätzlich wird wird eine Drehbewegung überlagert.
• Bild 3: Schema des Ladungswechsels bei einer Pumpe. Gleichzeitig findet ein Hubzyklus statt. Jede halbe Hublänge ist gezeichnet.
• Bild 4: Schema der 4 Takte eines Verbrennungsmotors (2 Hubzyklen).
• Bild 5: Kolbenform - Beispiele:
  a, b: asymmetrische Kolben,
  c,d,e: "querkraftfreie" Kolben (hier punktsymmetrisch)
• Bild 6: Mechanische Umwandlung der Hub- in eine Drehbewegung nach Anspruch 5. Vergleiche auch Bild 1.
  a und b zeigen als Beispiele zwei verschiedene Arten des Längenausgleichs.
• Bild 7 und 8: Erzeugung der Dreh-Hub-Bewegung des Kolbens nach Anspruch 6. Schematische Beispiele.
• Bild 9: Mechanische Umwandlung der Hub- in eine Drehbewegung nach Anspruch 7. Beispiel mit scheibenähnlicher Kurvenbahn, ein Hubzyklus pro Umdrehung.
• Bild 10: wie Bild 9, aber mit zwei Hubzyklen pro Umdrehung.
• Bild 11: wie Bild 9, aber mit Kurvenbahn als umlaufende Nut.
• Bild 12: Verbindung der Führungen mit Wippen (Anspruch 13)
• Bild 13: Schematische Beispiel eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben-Motors mit vier Arbeitsräumen, um eine halbe Wellendrehung unterschiedlich dargestellt. Bewegungsumwndlung nach Anspruch 7. Vgl. auch Bild 1.
• Bild 14: Beispiel einer Brennraumgestaltung für einen Dieselmotor mit Erzeugung von Turbulenz im torusförmigen Wirbelraum (43).
  Oben: Schnitte je durch beide Kolben im oberen Hubtotpunkt.
  Unten: Anschicht auf die Stirnseite des unteren Kolbens.
• Bild 15: Drehmomentübertragung zw. zentraler Welle und Kolben mit Membrane (a), mit Balg (b).
• Bild 16: Integrierter Vorverdichter nach Anspruch 3, 8, 14 und 16 mit innerem, drehenden Kolben im Dreh-Hubkolben, schematisches Beispiel.
• Bild 17: Dreh-Hubkolben-Maschine mit elektrischer Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4. Links ist die Steuerung des Ladungswechsels konventionell mit Ventilen dargestellt, rechts gemäss Anspruch 1. Die Mantelfläche des Ankers ist oben durch das konzentrierte Magnetfeld des Stators axial geführt.
• Bild 18: Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4 und 9. Beispiel für nicht dauermagnetischen, aber magnetisierbaren An­ker. Ein Hubzyklus pro Umdrehung. Die Hilfswicklung (46) dient nur für den Start der Maschine.
• Bild 19: wie Bild, aber als Unterschied mit zwei zusätzlichen Stellen, an denen Treiberpole (45) angeordnet sind. Die Treiber­pole werden zueinander zeitlich verschoben (phasenverschoben) angesteuert. Hilfswicklungen für den Start sind nicht nötig.
• Bild 20: Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4 und 9. Der Anker ist nicht dauermagnetisch, aber magnetisierbar. Zwei Hubzyklen pro Umdrehung. Zwei Führungspole (44) und zwei Stellen am Stator, wo der Stator den Anker treibt (45).
• Bild 21: wie Bild 20, aber mit 4 Stellen, die den Anker treiben. Beispiel mit Mehrphasen-Wechselstrom (Drehstrom).
• Bild 22: Form des Ankers von Bild 20 und 21. Beachte die Analo­gie zur Form der Kurvenbahn nach Anspruch 7, Bild 2 b.
Bildlegende
• 1 Zylinder
  1a,b,c Zylinderteile
  2 Dreh-Hubkolben (macht Dreh-Hub-Bewegung)
  3 Kurvenbahn
  4 Führungen
  5 Kolben, nur rotierend
  6 Kolbenringe
  7 Arbeitsraum
  7a dito, Maximalvolumen
  7b dito, Endvolumen oder Endkompressionsvolumen
  8 Einlasskanal
  9 Auslasskanal
  10 Einlassströmung
  11 Auslassströmung
  12 Zündkerzen
  13 Einspritzdüse (Diesel)
  14 durchgehende, zentrale Welle
  15 Radial-Wellendichtring
  16 Wippe
  17 Wippenlagerung
  18 Membrane (zur Drehmomentübertragung)
  19 Balg (zur Drehmomentübertragung)
  20 Anker
  21 Stator
  22 Antrieb zur Erzeugung der Kolbendrehung
  23 Kolbenstange
  24 Axiallager
  25 Kreuzkopf
  26 Kreuzkopf-Gleitbahn
  27 Pleuelstange
  28 Kurbelwelle
  29 Ventil
  30 Ansaugkanal über Hohlwelle
  31 rotierender, innerer Vorverdichterkolben
  32 Rückschlag - Ventil
  33 Auslasskanal des ververdichteten Mediums aus dem Dreh-Hubkolben.
  34 Einlasskanal des vorverdichteten Mediums in den Arbeitsraum des Zylinders
  35 taumelscheibenartige Welle, scheibenförmig in Kolben eingesenkt.
  36 taumelscheibenartige Welle, in Kolben eingesenkt.
  37 geometrische Mittel-Achse der taumelscheibenartigen Welle
  38 Uebertragungselement
  39 Gelenkpunkt zwischen dem Uebertragungselement und dem Zylinder
  40 Hohlwelle
  41 geometrische Mittel-Achse der Hohlwelle (schneidet die Zylinderachse)
  42 Gelenkpunt zwischen dem Kolben un der Hohlwelle
  43 torusförmiger Wirbelraum
  44 Magnetpol, welcher den Anker führt
  45 Magnetpol, welcher den Anker treibt Bezeichnung als Beisp.:
  "N" = Nordpol
  "S" = Südpol
  46 Hilfswicklung für Start
  

Claims (28)

1. Kolbenmaschine, mit einem oder mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Kraft- oder Arbeitsmaschine,
dadurch gekennzeichnt, dass
synchron miteinander um die Zylindermittelachse drehende Kolben den Arbeitsraum oder die Arbeitsräume beidseitig begrenzen,
wobei mindestens einer der beiden einen Arbeitsraum begren­zenden Kolben zusätzlich zur Drehbewegung auch eine oscillie­rende Hubbewegung parallel zur Zylinderachse ausführt, und dass mindestens einer dieser beiden Kolben eine oder mehrere Oeffnungen in der Zylinderwand steuert, indem er mit seiner Mantelfläche bei jedem Arbeitszyklus Oeffnungen zu­deckt oder freigibt,
wobei die Stirnflächen beider Kolben so geformt sind, dass diejenige Kantenlinie, welche die dem Arbeitsraum zuge­wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel­fläche begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, nicht in ei­ner Ebene senkrecht zur Zylindermittelachse liegt,
und dass die Stirnflächen der beiden Kolben, in bezug auf ihre Form und ihre Lage zueinander, im oberen Hubtotpunkt so ineinander passen, dass ein je nach Verwendungszweck der Ma­schine beliebig kleines Endvolumen erreicht wird,
    oder, dass
der Arbeitsraum nur auf einer Stirnseite von einem oben be­schriebenen Kolben begrenzt ist, welcher eine Drehbewegung oder Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen in der Zy­lindermantelfläche steuert, und dass der Arbeitsraum auf der andern Stirnseite durch eine Stirnfläche begrenzt ist, welche nicht synchron mitdreht,
wobei die beiden einen Arbeitsraum begrenzenden Stirnflächen, in bezug auf ihre Form und ihre Lage zueinander, im oberen Hubtotpunkt so ineinander passen, dass ein kleines Endvolumen erreicht wird, wobei jedoch, zur Vermeidung eines Zusammen­ stosses zwischen der drehenden und der nicht drehenden Stirnfläche, der drehende Kolben im Bereich des oberen Hub­totpunktes keine oder nur eine so geringe Drehbewegung aus­führt, wie es der Abstand zwischen den beiden Stirnflächen und die Form der Stirnflächen erlaubt,
wobei, bei allen Varianten, die Kolbenstirnfläche entweder so geformt ist, dass der statische Druck des Arbeitsmediums auf die Kolbenstirnfläche eine resultierende Kraft mit axia­ler und radialer Komponente bewirkt, oder so, dass sich die radialen Kraftkomponenten gegenseitig aufheben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.

2. Kolbenmaschine, mit einem oder mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Kraft- oder Arbeitsmaschine,
dadurch gekennzeichnt, dass
der Kolben eine oscillierende Hubbewegung parallel zur Zylin­derachse und eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt und eine oder mehrere Oeffnugen in der Zylinderwand steuert, indem er mit seiner Mantelfläche bei jedem Arbeitszyklus Oeffnungen zudeckt oder freigibt,
wobei diejenige Kantenlinie, welche die dem Arbeitsraum zuge­wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel­fläche begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, nicht in einer Ebene liegt, aber auch zugleich so plaziert ist, dass sich die, vom Druck des Arbeitsmediums herrührenden, radialen Kraftkomponenten auf die Kolbenstirnfläche gegenseitig aufhe­ben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.

3. Kolbenmaschine mit mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Arbeits- oder Kraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Kolben, welcher eine oscillierende Hubbe­wegung und eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt, mit seinen Innenflächen als Zylinder dient für einen darin eingeschlossenen, zusätzlichen inneren Kolben, welcher auf einer in den Dreh-Hubkolben hineinreichenden oder durch den Dreh-Hubkolben durchgehenden zentralen Welle oder Achse befe­stigt ist und daher relativ zum ihn umschliessenden Dreh-Hub­kolben eine oscillierende Hubbewegung macht, wodurch dieses innere System ebenfalls als Arbeits- oder Kraftmaschine wirkt.

4. Vorrichtung zur Umwandlung einer oscillierenden Hubbewegung in eine Drehbewegung - oder umgekehrt -,
oder zur Erzeugung einer Hub-, Dreh- oder Dreh-Hubbewegung mittels elektrischer Energie
oder zur Erzeugung von elektrischer Energie aus den genannten Bewegungen,
insbesondere in Anwendung für die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bei Kolbenmaschinen,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese Funktionen von einem Elektromotor oder Elektrogenerator verursacht werden, dessen Anker relativ zum Stator eine Dreh­bewegung und gleichzeitig eine oscillierende Hubbewegung aus­führt, wobei diese Dreh-Hubbewegung dadurch erreicht wird, dass der Anker so geformt ist, dass die beiden Kantenlinien, welche die Mantelfläche des Ankers axial begrenzen, nicht in einer Ebene senkrecht zur Drehbewegungsachse liegen, so dass also der Anker schräg zur Drehbewegungsachse angeordnet ist oder Wellen in axialer Richtung aufweist, und dass

a) der Anker mit daran ortsfesten Magnetpolen oder Wicklungen ausgeführt ist und die Mantelfläche des Ankers durch konzent­rierte magnetische Kraftwirkung an einer oder an mehreren, meist ortsfesten Stellen des Stators axial geführt wird, wo­bei an denjenigen Stellen des Stators, wo die Mantelfläche des Ankers eine axiale Bewegung relativ zum Stator ausführt, diese axiale Bewegung durch den Stator mittels axial oder axial-tangential wirkender oscillierender magnetischer Kraft­wirkung unterstützt wird, oder nicht behindert wird, indem das Statorfeld dort, bezüglich der axialen Breite, nicht kon­zentriert, oder Null ist, oder

b) dass der Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermag­netischem Werkstoff besteht und an seiner Mantelfläche eine ungefähr gleichbleibende axiale Breite aufweist, und dass der Stator an mindestens zwei Stellen an seinem Umfang mit magne­tischen Kräften auf den Anker einwirkt, nämlich so, dass der Stator durch mindestens ein konzentriertes Magnetfeld den An­ker magnetisiert und dadurch auf dem Anker eine ganze Anzahl Pol-Paare erzeugt, und dass an mindestens einer Stelle des Stators, wo die Mantelfläche des Ankers sich relativ zum Sta­tor bewegt und wo der Anker infolge des Statorfeldes einen Pol aufweist, der Stator durch axial oder axial-tangential wirkende oscillierende magnetische Kraftwirkung auf den Anker einwirkt,

oder dass, als Alternative zu den genannten Varianten, der aussen angeordnete Stator die beschriebenen Funktionen und Merkmale des Ankers aufweist und analog der Anker die be­schriebenen Funktionen und Merkmale des Stators aufweist.

5. Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh­bewegung um die Zylinder-Mittelachse - oder umgekehrt -, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine taumelscheibenartige Welle, deren Mittel­achse die Zylinderachse in einem Schnittpunkt schneidet, in den Dreh-Hubkolben eingeformt oder mit dem Dreh-Hubkol­ben verbunden ist,
dass auf dieser taumelscheibenartigen Welle ein Uebertra­gungselement drehbar um die Wellenachse, jedoch sonst ohne relative Bewegungsfreiheitsgrade, gelagert ist,
und dass dieses Uebertragungselement auch an den Zylinder angelagert ist, und zwar solcherart,
dass dem Uebertragungselement Schwenkbewegungen um alle drei Koordintatenachsen oder zumindest um diejenigen zwei Koordinatenachsen erlaubt sind, welche in einer Ebene senk­recht zur Achse der taumelscheibenartigen Welle liegen, und
dass dieser gelenkige Lagerpunkt in geometrisch geführter Weise ungefähr in Richtung radial zur Zylinderachse ver­schiebbar ist, oder dass das Uebertragungselement eine Län­genänderung bezüglich des Abstands zwischen seiner Lagerung am Zylinder und seiner Lagerung auf der Welle zulässt.

6. Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh­bewegung um die Zylinder-Mittelachse - oder umgekehrt -,
wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine kurze Hohlwelle so im Zylinder eingelagert oder mit dem Zylinder verbunden ist, dass sie um ihre ei­gene Achse drehbar ist, wobei ihre eigene Achse ungefähr im Mittelpunkt der Hohlwelle die Zylinderachse schneidet, dass mindestens eine solche Hohlwelle auf ihrer Innenseite, an einer Stelle ausserhalb der Zylinder-Mittelachse, an den Dreh-Hubkolben angelagert ist, und zwar solcherart,
dass diese Lagerung relative Schwenkbewegungen zwischen der Hohlwelle und dem Dreh-Hubkolben um alle drei Koordinaten­achsen oder zumindest um diejenigen zwei rechtwinkligen Koordinatenachsen erlaubt, welche in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Hohlwelle liegen,
und dass diese Lagerstelle in ungefähr radialer Richtung zur Achse des Dreh-Hubkolbens oder in ungefähr radialer Richtung zur Drehachse der Hohlwelle auf geometrisch ge­führte Weise verschiebbar ist.

7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Drehbewegung um die Zy­linder-Mittelachse - oder umgekehrt -,
mittels mindestens einer räumlichen Kurvenbahn,
welche sich auf eine oder mehrere Führungen, bestehend aus Führungselementen wie beispielsweise Rollen oder Gleiter, abstützt und relativ zu diesen Führungen rotiert,
wobei die Kurvenbahn beispielsweise gestaltet ist als scheibenförmige Kurvenbahn
oder als umlaufende Nut, in welche die Führung greift.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung des Ladungswechsels in mindestens einem äusseren Arbeitsraum gemäss Anspruch 1 oder 2 erfolgt.

9. Kolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Maschine als Gleichstrom-Maschine oder als Einphasen - ­oder Mehrphasen - Wechselstrom-Maschine gebaut ist und dass die ganze Anzahl n Stellen, wo der Stator die Mantelfläche des Ankers axial führt, gleich der Anzahl n identischer Hub­zyklen pro Umdrehung ist, und dass diese n Führungsstellen zueinander in identischen Winkel-Abständen bezüglich der Drehachse ortsfest am Stator angeordnet sind,
und dass bei der Variante mit nicht dauermagnetischem, spu­lenlosen Anker,

a) bei der Gleichstrom-Maschine
entweder bei allen n Führungsstellen des Stators die Polari­tät konstant bleibt und zwischen den Führungsstellen eine ganze Anzahl axial oder axial-tangential wirkende, treibende magnetische Kräfte vom Stator auf den Anker wirken, indem an diesen Treiberstellen je zwei Spulen in axialer Richtung nebeneinander liegen, die mit unterschiedlichen Polaritäten den magnetisierten Anker anziehen bzw. abstossen und durch Polumschaltung ihre Polarität periodisch wechseln, oder dass alle n Führungsstellen ihre Polarität gemeinsam periodisch wechseln, während die je 2 Pole an den Treiberstellen des Stators konstant bleiben,

b) bei der Einphasen-Wechselstrommaschine
die Anordnung der Pole analog zur Gleichstrom-Maschine ist, die Polarität jedoch durch den Stromverlauf wechselt, wobei für die konstanten Magnetpole der Strom gleichgerichtet wird, oder ein Dauermagnet verwendet wird,

c) bei der Mehrphasen-Drehstrom-Maschine
die Pole der n axialen Führungsstellen des Stators konstant bleiben und die, je dazwischen liegenden, treibenden Felder durch je mehrere, axial nebeneinander gereihte, Spulen er­zeugt werden, welche mittels Drehstrom ein axial wanderndes Feld erzeugen und den Anker mitbewegen, wobei an den Bewe­gungstotpunkten entweder die Richtung des Drehstroms oder die Polung der Führungsstellen gewechselt wird,
wobei, bei gewissen Ausführungsarten, für den Start der Ma­schine oder für die Bestimmung der Drehrichtung, noch eine oder mehrere Hilfsspulen nötig sind, welche beispielsweise, relativ zu den andern Spulen um einen Winkel bezüglich der Drehachse versetzt, am Stator plaziert werden.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Radial-Lagerfläche der taumelscheibenartigen Welle zwischen den Axial-Führungsflächen eingeformt ist, so dass das Uebertragungselement zwischen die Axial-Füh­rungsflächen eingelagert ist und mit seinen Seitenflächen die Axialführung übernimmt,
oder dass die taumelscheibenartige Welle wie eine Kreis­scheibe geformt ist, welche vom Uebertragungselement von aussen her umgriffen wird, so dass die Kreisscheiben-Man­telfläche als Radial-Lagerfläche und der äussere Bereich der beiden Seitenflächen als Axial-Lagerflächen dienen, wobei bei beiden Varianten das Uebertragungselement auf der taumelscheibenartige Welle mit Gleitlagern oder bei­spielsweise, in entsprechend angepasster Bauweise, mit Wälzlagern gelagert ist.

11. Kolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die taumelscheibenartige Welle und das darauf gelagerte Uebertragungselement so ausgebildet sind, dass sie zusam­men einen Elektromotor oder Elektrogenerator bilden, so dass infolge magnetischer Kraftwirkung ein Drehmoment zwi­schen diesen beiden Teilen entsteht, wodurch aus elektri­scher Energie die Kolbenbewegung erzeugt, oder umgekehrt aus der Kolbenbewegung elektrische Energie erzeugt wird,

12. Kolbenmaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsübertragung der Maschine nach aussen durch die drehende Hohlwelle erfolgt, beispielsweise mechanisch mittels Zahnräder,
oder indem die Hohlwelle und deren Lagerung im Zylinder so ausgebildet sind, dass sie zusammen einen Elektromotor oder Elektrogenerator bilden, wodurch mittels elektrischer Energie die Drehung der Hohlwelle, oder durch die Drehung der Hohlwelle elektrische Energie erzeugt wird.

13. Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass Führungsrollen oder Gleiter durch Wippen miteinander verbunden sind.

14. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dazugehörigen Kolbenbewegungen gemäss Anspruch 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 oder 13 entstehen.

15. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1,2,3,7,8,13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kolbenform und die Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung auf den Verwendungszweck und das Arbeitsverfahren der Maschi­ne, beispielsweise 2-Takt oder 4-Takt, so abgestimmt ist, dass sich die Abfolge der von der Kolbenbewegung und der Kolbenform abhängingen Steuerung von Oeffnungen in der Zy­linderwand periodisch mit dem Arbeitszyklus der Maschine wiederholt,
nämlich indem beispielsweise der Kolben bei einem 4-Takt-­Motor zwei Hubzyklen pro Umdrehung macht und bei einer 2-Takt-Maschine, einem Verdichter oder bei einer Pumpe einen Hubzyklus pro Umdrehung, und bei einem 2-Takt-Ver­brennungsmotor, welcher mit dem Dreh-Hubkolben und nicht mit einem nur drehenden Kolben den Ladungswechsel steuert, einen halben Hubzyklus pro Umdrehung,
wobei für diejenigen Kolbenformen, bei denen sich die für die Steuerung wirksame Form der Kantenlinie, welche die Kolbenmantelfläche stirnseitig begrenzt, schon nach einem Bruchteil einer Umdrehung geometrisch periodisch wieder­holt, die genannte Anzahl Hubzyklen nicht pro Umdrehung sondern pro entsprechendem Bruchteil einer Umdrehung gilt.

16. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1,2,3,7,8,13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Fähigkeit des Kolbens, durch seine Form und durch seine Drehbewegung oder Dreh-Hubbewegung, Oeffnungen in der Zylinderwand beliebig zu steuern, ausgenützt wird, um folgende Zwecke zu erfüllen, nämlich
um das Arbeitsmedium, sortiert nach Gehalt an innerer Energie, in verschiedene Auslasskanäle ausströmen zu las­sen, sodass beispielsweise beim Verbrennungsmotor nach der Verbrennung die noch energiereichen Auspuffgasse unter ho­hem Druck dem Abgasturbolader zugeführt werden und dann die verbleibenden Auspuffgase unter niedrigem Druck in einen andern Kanal ausgestossen werden,
und / oder um, zwecks Leistungs- oder Mengenregulierung, anstatt das Arbeitsmedium beim Ansaugen verlustvoll zu drosseln, das ungedrosselt angesaugte Arbeitsmedium zu Be­ginn des Verdichtungstaktes wieder teilweise ausströmen zu lassen durch eine Oeffnung in der Zylinderwand - oder durch mehrere, gestaffelt angeordnete Oeffnungen -, welche man mit Drosselklappen o.ä. verschliessen kann,
und / oder um zu bestimmten Zeitpunkten zusätzliche Medien ins Arbeitsmedium einströmen zu lassen.

17. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotation oder Verwirbelung, welche durch die Dre­hung des Kolbens und = falls vorhanden = der zentralen Welle verursacht wird, verstärkt wird
durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche der dem Arbeitsmedium zugewandten Kolbenstirnseiten,
durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche der zentralen Welle, und/oder = falls vorhanden =
durch die Anordnung der Einlasskanäle in tangential-radia­ler Richtung zur Zylinderachse, und/oder
dass zusätzliche Rotationsbewegungen oder Verwirbelungen des Arbeitsmediums auch in andern Rotationsachsen erzeugt werden, indem die beiden Stirnflächen, welche den Arbeitsraum beidseitig begrenzen, so gestaltet sind, dass im oberen Hubtotpunkt das aus engen Quetschflächen heraus­gepresste Arbeitsmedium so in einen Wirbelraum einströmt, dass in jeder theoretischen Schnittebene betrachtet, wel­che durch den Wirbelraum geht und senkrecht zur Rotation­sachse der so erzeugten Wirbel liegt, das Arbeitmedium von verschiedenen Seiten her je tangential in den Wirbelraum einströmt, wobei dieser Wirbelraum beispielsweise die Form eines Torus aufweist.

18. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4...7 oder 9...17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kinematik der ocillierenden Hubbewegung relativ zur Drehbewegung dem Verwendungszweck und dem Arbeitsver­fahren der Maschine angepasst wird, nämlich

a) bei der Maschine nach Anspruch 4 oder 9 durch die Form des Ankers bzw. des Stators,

b) bei der Maschine nach Anspruch 7 oder 13 durch die Formgebung der Kurvenbahn,

c) bei der Maschine nach Anspruch 5, 10 oder 11 durch die Wahl des Winkels der Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle zur Zylinderachse, und durch den Abstand zwischen dem Schnittpunkt dieser beiden Achsen und dem Gelenk, wel­ches das Uebertragungselement mit dem Zylinder verbindet, durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson­ders der Längsverschiebbarkeit,
und durch die Schaffung eines - sonst eigentlich nicht er­forderlichen - Abstands zwischen der theoretischen Ebene, welche durch den erwähnten Schnittpunkt geht und senkrecht zur Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle steht, und dem Gelenk, wobei - im Falle einer konstruktiven Auftren­nung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funk­tionen - dasjenige Gelenk massgebend ist, welches dem Füh­rungselement die Schwenkbewegung um eine Achse radial zu einer der beiden erwähnten Mittelachsen erlaubt,

d) bei einer Maschine nach Anspruch 6 oder 12, in Analogie zur Maschine nach Anspruch 5, durch die Wahl des Winkels der Drehachse der Hohlwelle zur Zylinderachse, und durch den Abstand zwischen dem Schnittpunkt dieser beiden Mit­telachsen und der gelenkigen Verbindung des Kolbens mit der Hohlwelle,
durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson­ders der Längsverschiebbarkeit,
und durch die Schaffung eines sonst eigentlich nicht er­forderlichen Abstands zwischen der theoretischen Ebene, welche durch den erwähnten Schnittpunkt geht und senkrecht zur Mittelachse der Hohlwelle steht, und dem Gelenk, wobei - im Falle einer konstruktiven Auftrennung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funktionen - dasjenige Ge­lenk massgebend ist, welches dem Führungselement die Schwenkbewegung um eine Achse radial zu einer der beiden Mittelachsen erlaubt.

19. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Synchronisation zwischen der Kolbendrehung und der Hubbewegung variabel ist, um beispielsweise die Steuerzeiten zu verändern,
indem bei der Maschine nach Anspruch 4...7 oder 9...13 der am Zylinder befestigte Teil der Vorrichtung, welche die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bewirkt, relativ zum Zylinder um die Zylinderachse verdreht wird, oder
indem der am Kolben befestigte Teil der Vorrichtung, wel­che die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bewirkt, relativ zur Stirnseite des Kolbens um die Zylinderachse verdreht wird.

20. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4..7 oder 9..19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge des Hubs und/oder das Verdichtungsverhält­nis verstellbar ist,
bei der Maschine nach Anspruch 4 oder 9 durch axiales Ver­schieben magnetischer Pole oder durch elektrisch wahlweise ein- und ausschaltbare magnetische Pole,
oder durch Verstellung der Stärke der magnetschen Kräfte, welche die Axialkraft des Kolbens bewirken, so dass, in­folge der äusseren Axialkraft auf den Kolben und infolge der Massenträgheit des Kolbens, der effektive Kolbenhub variierbar vom theoretischen Kolbenhub abweicht,
bei der Maschine nach Anspruch 5, 10 oder 11, bzw. 6 oder 12, durch Verstellung des Winkels, den die Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle bzw. die Mittelachse der Hohl­ welle zur Zylinderachse aufweist, indem die taumelschei­benartige Welle bzw. die Hohlwelle schwenkbar gelagert ist, oder durch die Verstellung von in Anspruch 16 aufgeführten geometrischen Längen, welche die Kinematik beeinflussen, besonders durch die Verstellung des Abstands zwischen dem Gelenk und dem erwähnten Achsenschnittpunkt.

21. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehbewegung des Kolbens oder der Kolben auf eine oder beide Aussen-Stirnseiten der Maschine übertragen wird mit­tels einer durch die Zylinder-Mittelachse führenden Welle, die solcherart gestaltet ist, dass zwischen Kolben und Welle ein Drehmoment übertragen wird und die oscillierende Hubbewegung durch eine axiale Verschiebbarkeit gewährlei­stet wird.

22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die, durch die Zy­linderachse führende, zentrale Welle
entweder mittels Keilwelle oder Formwelle erfolgt,
oder mittels Wälzkörper, welche Tangentialkräfte übertra­gen und bei der Axialverschiebung sich rollend bewegen, oder mittels längsverschiebbaren homokinetischen Gelenken.

23. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche l bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die durch die Zy­linderachse führende zentrale Welle, oder die direkte Drehmomentübertragung zwischen zwei benachbarten Kolben, mittels einer oder mehrerer Membranen oder Faltenbälgen / Rollbälgen oder anderer federartiger Elemente erfolgt, welche die axiale Längsverschiebung durch elastische Verformung zulassen.

24. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehbewegung des Kolbens um die Zylinderachse durch Tangentialkraft auf den Kolben, oder auf ein anderes um diese Achse drehendes Teil, nach aussen übertragen, bzw. von aussen her erzeugt wird, oder
dass eines der drehenden Teile Bestandteil eines Elektro­motors oder Elektrogenerators bildet.

25. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung zwischen den Kolben mittels Formschluss erfolgt, indem die beiden benachbarten Kolben­stirnseiten auch im unteren Hubtotpunkt ineinandergreifen und so Tangentialkräfte mittels Gleitflächen oder indirekt mittels Wälzkörpern übertragen.

26. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwecks Reibungsverminderung der drehende Kolben und der Dreh-Hubkolben auf einem Schmierfilm aufliegt, welcher sich in jenem Bereich der Zylinderwand befindet, wo keine zu steuernden Oeffnungen sind, wobei das Schmiermittel = falls es nicht in den Arbeitsraum gelangen darf = durch einen Abstreifring o.ä. vom Arbeitsraum ferngehalten wird.

27. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3..6, 9..12, 18, oder 20..24, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Kolben nicht relativ zum Zylinder dreht, indem der Kolben oder der Zylinder drehbeweglich mit der Vorrichtung verbunden ist, welche die Dreh-Hubbewegung erzeugt.

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