EP0240467B1 - Dreh-Hubkolben-Maschine - Google Patents

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EP0240467B1
EP0240467B1 EP87810206A EP87810206A EP0240467B1 EP 0240467 B1 EP0240467 B1 EP 0240467B1 EP 87810206 A EP87810206 A EP 87810206A EP 87810206 A EP87810206 A EP 87810206A EP 0240467 B1 EP0240467 B1 EP 0240467B1
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
working
engine
pistons
Prior art date
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EP87810206A
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EP0240467A1 (de
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Iso Wyrsch
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Individual
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0079—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having pistons with rotary and reciprocating motion, i.e. spinning pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/04—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F01B3/06—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal
    • F01B3/08—Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal the helices being arranged on the pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/26—Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/02—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027—Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06—Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the "classic”, well-known reciprocating piston machine has pistons that only make a reciprocating movement.
  • the piston movement is usually generated by the crankshaft and connecting rod.
  • the disadvantages of the classic reciprocating piston machine include the friction of the reciprocating piston on the cylinder, the space required for the crank mechanism and the need for separate organs to control the inlets and outlets.
  • Rotary reciprocating piston machine here means a work machine or an engine.
  • the rotary reciprocating piston machine from Wilfried Schwant also controls the slots by the rotary and reciprocating motion of the piston, but in a different way:
  • the piston has a channel that leads inside the piston from the piston face to the side surface of the piston .
  • the channel connects the working area with the cylinder wall and, depending on the piston position, with the slots in the cylinder wall.
  • the rotary reciprocating piston machine from Joe Burrough (US 2,473,936) also has pistons which perform a rotary reciprocating movement, but the control of the slots is not influenced by the rotary movement of the piston.
  • a cam track rotates relative to guide elements and thereby makes a rotary stroke movement relative to the guide elements.
  • Either this cam track is on the piston and the guide elements in the form of rollers etc. are attached to the cylinder (Maltby, Burrough, Schwandt), or vice versa.
  • a problem with the previous rotary reciprocating machines with control of the inlet and outlet openings by the piston is the large dead space at the top dead center.
  • a high compression ratio is therefore not possible.
  • the reason for the large dead space lies in the design principle: In order to realize a small dead space in the top dead center, the shape of the cylinder head would have to correspond approximately to the negative shape of the piston surface. However, this is only possible approximately because otherwise the non-rotating cylinder head hinders the non-rotationally symmetrical piston in its top dead center during its rotational movement.
  • a second problem is that the changing pressure of the working medium causes an alternating force in the radial direction on the asymmetrical piston. If the piston is pressed against the cylinder wall, this increases the friction.
  • some of the advantages offered by the rotary stroke movement of the piston have not been consistently exploited. It is therefore the object of the present invention to provide a rotary reciprocating piston machine which, with its various designs, eliminates the problems mentioned.
  • the end face of the pistons facing the working space is additionally shaped in such a way that the radial force components on the piston end face resulting from the pressure of the working medium compensate each other, so that only one axial force is applied the piston results (see claim 2).
  • Figures 1a and 1b is a longitudinal section of a machine along the axis of a cylinder with the cylinder parts 1a, 1b, 1c. The machine is shown in two different positions by half a shaft revolution (Fig. 1a and 1b).
  • the cylinder has openings (slots) in its wall, which are provided for the inlet (8, 10) and for the Outlet (9, 11) of the working medium.
  • the slots are opened and closed by the pistons (2) and by the piston-like members (5).
  • the rotary piston machine of Figure 1 is shown as a 2-stroke internal combustion engine. If the arrangement of the slots were changed, however, this rotary piston machine could function differently, for example as a compressor.
  • the piston (2) makes an oscillating stroke movement and at the same time a rotary movement around the cylinder axis.
  • the piston-like member (5) only rotates around the cylinder axis.
  • the variant shown has 4 work rooms (7a and 7b).
  • the position shown shows two working spaces (7a) at maximum volume, corresponding to the bottom dead center.
  • the other two work spaces (7b) have at the moment called the minimum volume, dead space or compression space, corresponding to the top dead center. Because the end faces simultaneously rotate and fit together according to the invention, the dead space is very small.
  • Figure 1b shows the pistons in other positions after half a revolution.
  • the movement of the rotary piston (2) is generated in a known manner by a cam track (3), which is supported on the guides (4).
  • the pistons (2) make one stroke cycle, i.e. a reciprocating movement, per revolution.
  • the power is transferred from the piston to the outside by means of a central shaft (14).
  • the pistons (2) are connected to the central shaft (14) so that they are longitudinally displaceable along the central shaft, but that they transmit the torque to the central shaft (14).
  • Figure 2 shows schematically a section through the cylinder axis of a rotary reciprocating machine, in which the lifting movement of the piston (2) is generated in a known, conventional manner by means of a crankshaft (28), connecting rod (27) and crosshead (25).
  • the rotation of the piston (2) is generated in a separate manner.
  • the rotary motion through a gear (22) and a central shaft (14) on the piston (2) and the piston-like member (5) transferred.
  • the arrangement and the shape of the piston and the piston-like member and the manner in which the openings in the cylinder wall are controlled are designed according to the invention and are analogous to FIG. 1.
  • Figure 3 illustrates the charge change in a rotary reciprocating machine which works as a pump.
  • a cross section through the working space (7) in the cylinder (1) with a view of the piston face is shown schematically.
  • Fig. 3a The piston is at top dead center, the inlet slot (8) and the outlet slot (9) are closed by the piston.
  • Fig. 3b The inlet slot is opened by the piston, the piston goes down, the working medium flows in (10).
  • Fig. 3c The piston is approximately at bottom dead center.
  • the inlet slot is just closed, the outlet slot is not yet open.
  • Fig. 3d The piston comes up, the outlet (9) is open, the working medium flows out (11).
  • FIG. 4 shows, analogously to FIG. 3, the charge exchange in the case of a 4-stroke engine.
  • 4a top dead center
  • 4b suction
  • 4c bottom dead center
  • 4d compacting
  • 4e start of combustion and top dead center
  • 4f work cycle
  • 4g bottom dead center
  • 4h exhaust.
  • FIG. 5 shows schematic examples of shapes of pistons (2) or piston-like members (5):
  • FIGS. 5a and 5b show asymmetrical shapes; 5c and d, 5e and 5f show point-symmetrical shapes, in which the pressure in the working space does not result in a resulting transverse force.
  • Figures 6 to 9 show variants of the mechanism which leads the piston (2) to the rotary-stroke movement.
  • the spatial cam track (3) is fixed to the piston (2) as a disk-like cam track.
  • the guides here consist of rollers (4).
  • the piston (2) makes one stroke cycle per revolution. This version corresponds to the current state of the art.
  • the spatial cam track (3) is shaped as a circumferential groove in which the guide (4) engages. This version also corresponds to the prior art.
  • FIGS. 9a-9c show details of an improved embodiment from three viewing directions.
  • the guides (4) are connected to one another by rockers (16), the rockers are connected to the cylinder (see FIG. 7).
  • FIGS. 10a-c show an example of the shape of the end faces of pistons (2) or of piston-like members (5) which can be used for the machine according to the invention.
  • Figure 10c shows a view from the working area on the piston end.
  • Figure 10a and 10b show a detail from a section along the cylinder axis in the direction of AA and BB.
  • the piston (2) moves to the top dead center.
  • the working medium pressed out of the narrow squeezing surfaces is introduced tangentially into the toroidal swirl space (43). Such a swirling of the working medium is desirable for diesel engines, for example.
  • FIGS. 11 and 12 schematically show the torque transmission between the central shaft (14) and the rotary reciprocating piston (2) by means of a membrane (18) or by means of a bellows (19).
  • FIG. 13 schematically shows an example of an embodiment of additional inner working spaces (47) according to the invention in the piston (2).
  • the inner piston (31) is fixed on the central shaft (14) and makes a rotational movement.
  • the piston (2) serves the inner piston (31) as a cylinder and increases and decreases by its rotary-stroke movement the inner working spaces (47) on both sides of the inner piston (31).
  • an inlet duct (30) in the central shaft (14) leads via non-return valves (32) into the inner working spaces (47).
  • the outlet takes place through slots (33) in the piston (2) and in the cylinder (1), which are opened and closed by the movement of the piston (2).
  • the inner work spaces can e.g. can be used as a pump or compressor, or, for example, to pre-compress the working medium and to guide it from the inner working spaces (47) through a special channel (34) into the working spaces (7).
  • the end faces of the inner piston (31) and the inner shape of the piston (2) are advantageously matched to one another in such a way that the dead space is small.
  • the working space is delimited by the cylinder (1; 1a, 1b, 1c) and either by two pistons (2) or by a piston (2) and a piston-like member (5).
  • the pistons (2) rotate around the cylinder axis and additionally make an oscillating stroke movement along the cylinder axis.
  • the piston-like member (5) only rotates around the cylinder axis.
  • At least one piston (2) or a piston-like member (5) controls one or more slots in the cylinder wall by covering or uncovering these slots with its outer surface. The frontal boundary of this lateral surface is not rotationally symmetrical. Therefore, the rotary movement has an effect on the opening and closing of the slots.
  • the dead space in top dead center can be made as small as desired.
  • the dead space is almost zero:
  • the two pistons or the piston and the piston-like member fit exactly into one another with their end faces like a negative form and a positive form. Because both parts rotate in the cylinder, there is no impediment to the rotary movement.
  • this invention can be used for all known applications of piston machines.
  • 2-stroke, 4-stroke engines, pumps and compressors, etc. which are realized according to this principle, are therefore only different types of embodiment of the same idea according to the invention.
  • a version according to the invention avoids the second disadvantage of previous rotary reciprocating piston machines with control of the slots by the piston: it avoids the resulting radial force component which the pressure of the working medium exerts on the non-rotationally symmetrical piston end face.
  • the piston is additionally shaped such that the radial transverse force components cancel each other out.
  • the piston (2) of another version also makes a rotary-stroke movement and serves with its inner surface as a cylinder for an additional inner piston (31) enclosed therein.
  • This inner piston is attached to a shaft or axis which extends into the piston (2) or passes through the piston (2).
  • This inner piston (31) therefore executes a lifting movement relative to the piston (2) surrounding it, as a result of which this inner system also functions as a power or working machine and is used, for example, to pre-compress the working medium.
  • Figure 13 schematically shows an embodiment thereof).
  • Another version is characterized in that a plurality of inlet slots or a plurality of outlet slots or a plurality of inlet slots and a plurality of outlet slots per working space exist in the cylinder wall, and in that these inlet slots and / or these outlet slots are not opened and closed together at the same time.
  • This is achieved by arranging the slots in the cylinder wall in such a way that the piston or the piston-like member opens or closes them one after the other, or by valves or valve-like devices which additionally open or close at least one of these slots. Examples of this will be mentioned below in connection with "Examples for carrying out the invention”.
  • Another version is characterized in that the working medium is set in rotation or swirled in the working space: This movement of the working medium is caused by the rotational movement of the end faces of the piston (2) or the piston-like member (5) and by the direction of the inlet channel or of the inlet channels (8) which have a tangential component relative to the cylinder axis.
  • Additional rotation or swirling of the working medium can be caused near the top dead center by the shape of the two end faces.
  • the working medium is introduced into a swirl space between these two end faces. (See Figure 10a-c).
  • the synchronization between the rotary movement and the stroke movement of the piston is variable.
  • the control times of the slot control are changed, for example.
  • This adjustable synchronization is done in the following way: That part of the device to generate the rotary stroke movement of the piston, which is directly or indirectly attached to the cylinder (1), is rotatable relative to the cylinder about the cylinder axis, or that part of the device which is attached to the piston (2) is rotatable about the axis of rotation of the piston and therefore also relative to the end face of the piston.
  • a central shaft (14) transmits the rotary movement of the piston (2) to one or two outer end faces of the machine. It is made in such a way that a torque is transmitted between the piston (2) and the central shaft (14) and that the oscillating stroke movement is nevertheless ensured by an axial displacement.
  • This is achieved according to the invention by means of rolling elements which transmit tangential forces and move in a rolling manner during the axial displacement. Constructions of such elements are known as longitudinally displaceable homokinetic joints which are used for the front wheel drive of cars.
  • the torque transmission from the piston (2) to the central shaft (14) or the torque transmission between two adjacent pistons (2) takes place by means of one or more diaphragms or bellows or other spring-like elements which allow the axial longitudinal displacement by elastic deformation.
  • the piston-like member (5) also forms a component, e.g. the anchor, an electric motor or an electric generator.
  • the other component e.g. the stator, the electric motor or generator is attached directly or indirectly to the cylinder. In this way, electromagnetic forces act in a tangential direction on this rotating member.
  • the torque transmission between the piston (2), or between the piston (2) and the piston-like member (5) takes place by means of a positive fit, in that the adjacent end faces of these parts (2 or 5) as Interlocking claws.
  • the shape of these end faces is matched to the stroke length in such a way that they remain in engagement with one another and in this way transmit tangential forces by means of sliding surfaces.
  • Another version is characterized in that the pistons (2) and, if present, the piston-like member (5) rest on a lubricating film which is located in that region of the cylinder wall where there are no slots (8/9) to be controlled.
  • the rotational movement of these parts (2 and 5) creates a hydrodynamic lubrication state.
  • a sealing element e.g. a scraper ring mounted in the cylinder so that the lubricant can get into the work area or into the slots.
  • the choice of the embodiment of the invention depends on the size, the use, the working method of the machine and so on.
  • embodiments of the rotary reciprocating piston machine according to the invention in use as an internal combustion engine are described because the use and function of piston engines as an internal combustion engine are best known:
  • the working space (7) is delimited by two pistons (2), both of which perform a rotary stroke movement. This has the advantage that the relative surface of the work area is small.
  • the two pistons control the inlet and outlet slots in the cylinder walls.
  • the pistons are shaped such that the compression ratio is as high as is desired for the application (for example gasoline engine) and that the pressure of the working medium does not exert any radial force on the pistons.
  • the first example relates to the exhaust process in an internal combustion engine which is charged by the exhaust gas energy, for example by means of a turbocharger.
  • the exhaust process looks as follows: When the exhaust opens, the pressure in the cylinder is many times higher than in the exhaust manifold in front of the turbocharger. The exhaust gas flows out at the speed of sound and is expanded to the pressure level of the exhaust manifold. As a result, a lot of useful energy is lost in this first phase of the exhaust. Later the pressure in the cylinder drops to the level of the exhaust manifold.
  • the rotary piston machine according to the invention works as follows: When the first outlet opens, the exhaust gas flows into an exhaust manifold, in which the pressure is relatively high. If the pressure in the exhaust manifold does not exceed approximately half the cylinder pressure, the speed of sound is still achieved.
  • the piston opens a second outlet channel, which leads the exhaust gases into another exhaust manifold, in which the pressure is lower.
  • the first exhaust port is closed.
  • the second outlet duct leads directly to the outside via a silencer. Or the exhaust gases are first led through additional outlet slots into additional different exhaust manifolds with different pressure levels to turbochargers. Because of the higher exploitation of the exhaust gas energy in the In the first phase, the turbo receives enough energy and therefore does not require the entire amount of exhaust gas.
  • the cylinder internal pressure is now significantly lower than the compressed intake gas in the late phase of the exhaust. With a four-stroke engine, this results in a noticeable additional performance and an improvement in efficiency even during the gas change. With the two-stroke engine you can achieve an extremely fast and effective gas change.
  • the exhaust system mentioned in the example above also provides a clear advantage for the "cooperation" between engine and turbo and for the characteristics of the engine's power output:
  • the first exhaust is designed, for example, so that the exhaust gas during full load and rather low speed during the opening time of the first outlet, flows out at the speed of sound.
  • the absolute duration of the opening time of the first outlet is reduced linearly with the speed. For this, the number of openings per unit of time increases linearly.
  • the boost pressure drops. The engine torque therefore increases with decreasing speed.
  • additional slots During compression, pre-compressed additional air or a fuel-air mixture is blown into the work area through a special inlet slot.
  • the fuel or a fuel-air mixture is only added to the intake air when the outlet is closed. This prevents unburned fuel from being emitted.
  • the ability of the piston to cover openings or areas in the cylinder wall can also be used to protect valves, nozzles, igniters, sensors, etc. from the high combustion temperature or pressure.

Description

    Technisches Gebiet
  • Technisches Gebiet der Erfindung sind Kolbenmaschinen mit hin- und hergehenden und gleichzeitig drehenden Kolben im Zylinder, wie sie im Oberbegriff von Anspruch 1 beschrieben sind. Eine derartige Maschine ist z.B. aus US-A-2473936 bekannt.
  • Die "klassische", wohlbekannte Hubkolbenmaschine hat Kolben, die nur eine hin- und hergehende Bewegung machen. Die Kolbenbewegung wird dort meist durch Kurbelwelle und Pleuel erzeugt. Die Nachteile der klassischen Hubkolbenmaschine sind unter anderem die Reibung des nur hin- und hergehenden Kolbens am Zylinder, der Platzbedarf des Kurbeltriebs und die Notwendigkeit von separaten Organen zur Steuerung der Ein- und Auslässe.
  • Nur in speziellen Fällen ist es möglich, dass der Kolben der klassischen Hubkolbenmaschine Oeffnungen in der Zylinderwand direkt steuert. Der Grund liegt darin, dass nur die Position des Kolbens in bezug auf die Hubbewegung bestimmt, ob eine Oeffnung in der Zylinderwand offen oder zugedeckt ist. Die Bewegungsrichtung des Kolben spielt dabei keine Rolle: Bei einer bestimmten Position des Kolbens ist eine Oeffnung beispielsweise offen, unabhängig davon, ob der Kolben sich in Richtung des oberen Totpunkts oder des unteren Totpunkts bewegt. Aus diesem Grund kann die sogenannte Schlitzsteuerung bei klassischen Hubkolbenmaschinen fast nur für 2-Takt-Verbrennungsmotoren verwendet werden.
  • Es wurden daher universell einsetzbare Kolbenmaschinen vorgeschlagen, welche diese Nachteile vermeiden, indem der Kolben zusammen mit der Hin- und Herbewegung zugleich auch eine Drehbewegung ausführt. Wegen der typischen Dreh- und Hubbewegung des Kolbens wird diese Maschinenart nachfolgend "Dreh-Hubkolben-Maschine" genannt. Mit "Dreh-Hubkolben-Maschine" ist hier nachfolgend eine Arbeitsmaschine oder auch eine Kraftmaschine gemeint.
    • Stand der Technik
  • Es sind folgende Ausführungen von Dreh-Hubkolben-Maschinen bekannt:
    Kenneth R. Maltby beschreibt in seinem Patent (US 2,352,396) eine Kolbenmaschine, in welcher der Kolben eine Hubbewegung bei gleichzeitiger Drehbewegung ausführt. Die dem Arbeitsraum zugewandte Kolbenstirnseite hat auf einer Seite exzentrisch einen Absatz. D.h. die Kantenlinie, welche die Stirnseite des Kolbens gegen die Mantelfläche hin begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, ist nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Zylinderachse. Dadurch beeinflusst die Drehbewegung des Kolbens das Oeffnen und Schliessen der Schlitze in der Zylinderwand. Die Dreh-Hubkolben-Maschine von Wilfried Schwant (DE 3038673) steuert die Schlitze auch durch die Dreh-Hubbewegung des Kolbens, aber in einer anderen Weise: Der Kolben hat einen Kanal, welcher im Innern des Kolbens von der Kolbenstirnseite zur Seitenfläche des Kolbens führt. Der Kanal verbindet dadurch den Arbeitsraum mit der Zylinderwand und, je nach Kolbenstellung, mit den Schlitzen in der Zylinderwand.
  • Die Dreh-Hubkolben-Maschine von Joe Burrough (US 2,473,936) hat zwar auch Kolben, welche eine Dreh-Hubbewegung ausführen, aber die Steuerung der Schlitze wird durch die Drehbewegung des Kolbens nicht beeinflusst.
  • Um die Kolbenbewegung von Dreh-Hubkolben-Maschinen zu erzeugen, wurde häufig folgende Vorrichtung vorgeschlagen: Eine Kurvenbahn dreht sich relativ zu Führungselementen und macht dadurch relativ zu den Führungselementen eine Dreh-Hubbewegung. Entweder ist diese Kurvenbahn am Kolben und die Führungselemente in Form von Rollen etc. sind am Zylinder befestigt (Maltby, Burrough, Schwandt), oder umgekehrt.
  • Ein Problem der bisherigen Dreh-Hubkolben-Maschinen mit Steuerung der Ein- und Auslassöffnungen durch den Kolben (z.B. nach Maltby oder Schwant) ist der grosse Totraum im oberen Totpunkt. Ein hohes Verdichtungsverhältnis ist deshalb nicht möglich. Der Grund für den grossen Totraum liegt im Konstruktionsprinzip: Um im oberen Totpunkt einen kleinen Totraum zu verwirklichen, müsste die Form des Zylinderkopfs ungefähr der Negativform der Kolbenoberfläche entsprechen. Dies ist aber nur annähernd möglich, weil sonst der nicht rotierende Zylinderkopf den nicht rotationssymmetrisch geformten Kolben im oberen Totpunkt bei seiner Drehbewegung behindert.
  • Ein zweites Problem besteht darin, dass der wechselnde Druck des Arbeitsmediums eine wechselnde Kraft in radialer Richtung auf den unsymmetrischen Kolben bewirkt. Wenn der Kolben gegen die Zylinderwand gedrückt wird, erhöht dies die Reibung. Zudem wurden bisher einige Vorteile, welche die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bietet, nicht konsequent ausgenutzt. Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dreh-Hubkolben-Maschine zu schaffen, welche mit ihren verschiedenen Ausführungen die erwähnten Probleme behebt.
    • Darstellung der Erfindung
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist daher eine Kolbenmaschine mit den Merkmalen gemäss Anspruch 1 vorgesehen.
  • Dadurch ist das oben erwähnte Problem des grossen Totraums gelöst.
  • Um das oben erwähnte Problem der radialen Kraftkomponente auf die Kolben zu vermeiden, ist die dem Arbeitsraum zugewandte Stirnfläche der Kolben zusätzlich so geformt, dass sich die vom Druck des Arbeitsmediums herrührenden radialen Kraftkomponenten auf der Kolbenstirnseite gegenseitig kompensieren, so dass jeweils nur eine axiale Kraft auf den Kolben resultiert (siehe Anspruch 2).
    • Beschreibung der Zeichnungen
  • Für ein besseres Verständis der Erfindung wird nun bezug genommen auf die zugehörigen Zeichnungen, welche schematisch folgende Ausführungsbeispiele illustrieren:
    • Figur 1a und 1b ist ein Längsschnitt entlang der Zylinderachse einer ersten Ausführung einer Maschine welche die erfindungsgemässen Merkmale aufweist;
    • Figur 2 ist ein Längsschnitt durch die Zylinderachse einer zweiten Ausführung einer Maschine welche die erfindungsgemässen Merkmale aufweist;
    • Figuren 3a bis 3d sind schematische Querschnitte durch den Arbeitsraum einer Maschine von Figur 1 oder 2 mit Sicht auf eine Kolbenstirnseite und illustrieren den Ladungswechsel bei einer Arbeitsweise als Pumpe;
    • Figuren 4a bis 4g sind schematische Querschnitte durch den Arbeitsraum einer Maschine gemäss Figur 1 oder 2 mit Sicht auf eine Kolbenstirnseite und illustrieren den Ladungswechsel bei einer Arbeitsweise als Viertaktmotor.
    • Figuren 5a bis 5f illustrieren schematische Beispiele für Kolbenformen welche in Maschinen anwendbar sind, welche die Merkmale der Erfindung aufweisen;
    • Figuren 6 bis 9 sind Querschnitte von Ausführungen von Vorrichtungen zur Erzeugung der Kolbenbewegung;
    • Figuren 9a bis 9c illustrieren Details der in Figur 7 illustrierten Vorrichtung;
    • Figuren 10a bis 10c illustrieren ein Beispiel für die Form der Stirnseite von Kolben, welche in erfindungsgemässen Maschinen anwendbar sind.
    • Figuren 11 und 12 sind Längsschnitte, welche schematisch Arten der Kraftübertragung zwischen einer zentralen Welle und dem Kolben illustrieren;
    • Figur 13 ist ein Längsschnitt, welcher eine Ausführung einer erfindungsgemässen Maschine mit äusseren und inneren Arbeitsräumen illustriert.
    Bildlegende zu den Figuren:
  • Figure imgb0001
    Figure imgb0002
  • Es werden nun die Zeichnungen beschrieben. Figur 1a und 1b ist ein Längsschnitt einer Maschine entlang der Achse eines Zylinders mit den Zylinderteilen 1a, 1b, 1c. Die Maschine ist in zwei um eine halbe Wellenumdrehung unterschiedlichen Stellungen gezeichnet (Fig. 1a und 1b).
  • Der Zylinder weist in seiner Wand Öffnungen (Schlitze) auf, welche vorgesehen sind für den Einlass (8, 10) und für den Auslass (9, 11) des Arbeitsmediums. Die Schlitze werden durch die Kolben (2) und durch die kolbenähnlichen Glieder (5) geöffnet und geschlossen. Die Dreh-Hubkolben-Maschine von Figur 1 ist als 2-Takt-Verbrennungsmotor dargestellt. Wenn die Anordnung der Schlitze verändert wäre, könnte diese Dreh-Hubkolben-Maschine jedoch anders funktionieren, beispielsweise als Verdichter.
  • Der Kolben (2) macht eine oscillierende Hubbewegung und gleichzeitig eine Drehbewegung um die Zylinderachse. Das kolbenähnliche Glied (5) führt nur die Rotation um die Zylinderachse aus. Die dargestellte Variante hat 4 Arbeitsräume (7a und 7b). In Figur 1a zeigt die gezeichnete Stellung zwei Arbeitsräume (7a) bei maximalem Volumen, entsprechend dem unteren Totpunkt. Die andern zwei Arbeitsräume (7b) haben im Moment das minimale Volumen, Totraum oder Kompressionsraum genannt, entsprechend dem oberen Totpunkt. Weil die Stirnflächen erfindungsgemäss simultan drehen und zusammenpassen, ist der Totraum sehr klein. Figur 1b zeigt die Kolben in anderen Stellungen nach einer halben Umdrehung.
  • Die Bewegung des Dreh-Hubkolbens (2) wird auf bekannte Art durch eine Kurvenbahn (3) erzeugt, welche sich auf die Führungen (4) abstüzt. Die Kolben (2) machen einen Hubzyklus, das heisst eine Hin- und Herbewegung, pro Umdrehung. Die Leistungsübertragung vom Kolben nach aussen erfolgt mittels einer zentralen Welle (14). Die Kolben (2) sind mit der zentralen Welle (14) so verbunden, dass sie entlang der zentralen Welle längs verschiebbar sind, aber dass sie das Drehmoment auf die zentrale Welle (14) übertragen.
  • Figur 2 zeigt schematisch einen Schnitt durch die Zylinderachse einer Dreh-Hubkolben-Maschine, bei welcher die Hubbewegung des Kolbens (2) auf bekannte, konventionelle Weise mittels Kurbelwelle (28), Pleuelstange (27) und Kreuzkopf (25) erzeugt wird. Die Drehung des Kolbens (2) wird auf separate Weise erzeugt. In diesem Beispiel wird die Drehbewegung durch ein Zahnrad (22) und eine zentrale Welle (14) auf den Kolben (2) und das kolbenähnliche Glied (5) übertragen. Die Anordnung und die Form des Kolbens und des kolbenähnlichen Glieds und die Art und Weise der Steuerung der Öffnungen in der Zylinderwand sind erfindungsgemäss ausgeführt und sind analog zu Figur 1.
  • Figur 3 illustriert den Ladungswechsel bei einer Dreh-Hubkolben-Maschine welche als Pumpe arbeitet. Es ist je ein Querschnitt durch den Arbeitsraum (7) im Zylinder (1) mit Sicht auf die Kolbenstirnseite schematisch dargestellt.
  • Fig. 3a: Der Kolben ist im oberen Totpunkt, der Einlassschlitz (8) und der Auslassschlitz (9) sind durch den Kolben verschlossen.
  • Fig. 3b: Der Einlassschlitz ist durch den Kolben geöffnet, der Kolben geht nach unten, das Arbeitsmedium strömt ein (10).
  • Fig. 3c: Der Kolben ist ungefähr im unteren Totpunkt. Der Einlassschlitz ist gerade geschlossen, der Auslassschlitz ist noch nicht offen.
  • Fig. 3d: Der Kolben kommt nach oben, der Auslass (9) ist geöffnet, das Arbeitsmedium strömt aus (11).
  • Figur 4 zeigt analog zu Figur 3 schematisch den Ladungswechsel für den Fall eines 4-Takt-Motors.
    Fig. 4a: oberer Totpunkt; 4b: Ansaugen;
    4c: unterer Totpunkt; 4d: Verdichten;
    4e: Beginn der Verbrennung und oberer Totpunkt; 4f: Arbeitstakt
    4g: unterer Totpunkt; 4h: Auspuffen.
  • Figur 5 zeigt schematische Beispiele für Formen von Kolben (2) oder kolbenähnlichen Gliedern (5): Fig 5a und 5b zeigen asymmetrische Formen; Fig 5c und d, 5e und 5f zeigen punktsymmetrische Formen, bei denen der Druck im Arbeitsraum keine resultierende Querkraft bewirkt.
  • Figuren 6 bis 9 zeigen Ausführungsvarianten des Mechanismus, welcher den Kolben (2) zur Dreh-Hubbewegung führt. In Figur 6 ist die räumliche Kurvenbahn (3) als scheibenähnliche Kurvenbahn fest am Kolben (2). Die Führungen bestehen hier aus Rollen (4). Der Kolben (2) macht einen Hubzyklus pro Umdrehung. Diese Ausführung entspricht dem bisherigen Stand der Technik.
  • In Figur 7 macht der Kolben infolge der Form der räumlichen Kurvenbahn (3) zwei Hubzylen pro Umdrehung.
  • In Figur 8 ist die räumliche Kurvenbahn (3) als umlaufende Nut geformt, in welche die Führung (4) greift. Diese Ausführung entspricht auch dem bisherigen Stand der Technik.
  • Figur 9a - 9c zeigt Details einer verbesserten Ausführung aus drei Blickrichtungen. Die Führungen (4) sind durch Wippen (16) miteinander verbunden, die Wippen sind mit dem Zylinder verbunden (Siehe Figur 7).
  • Zusätzlich zu den erwähnten Varianten mit am Kolben (2) befestigter Kurvenbahn (3) existieren auch die entsprechenden konträren Varianten: Die Kurvenbahn (3) ist mit dem Zylinder (1) verbunden, und die Führungen (4) sind am Kolben (2) befestigt.
  • Figur 10a-c zeigt ein Beispiel für die Form der Stirnseiten von Kolben (2) bzw. von kolbenähnlichen Gliedern (5), welche für die erfindungsgemässe Maschine anwendbar sind. Figur 10c zeigt eine Ansicht vom Arbeitsraum her auf die Kolbenstirnseite. Figure 10a und 10b zeigen ein Detail aus einem Schnitt längs der Zylinderachse in der Richtung von A-A und B-B. Der Kolben (2) bewegt sich zum oberen Totpunkt. Das aus den engen Quetschflächen herausgepresste Arbeitsmedium wird dabei tangential in den torusförmigen Wirbelraum (43) eingeleitet. Eine solche Verwirbelung des Arbeitsmediums ist zum Beispiel für Dieselmotoren erwünscht.
  • Figuren 11 bzw. 12 zeigen schematisch die Drehmomentübertragung zwischen zentraler Welle (14) und Dreh-Hubkolben (2) mittels Membrane (18) bzw. mittels Balg (19).
  • Figur 13 zeigt schematisch ein Beispiel einer Ausführungsform von erfindungsgemässen zusätzlichen inneren Arbeitsräumen (47) im Kolben (2). Der innere Kolben (31) ist auf der zentralen Welle (14) befestigt und macht eine Rotationsbewegung. Der Kolben (2) dient dem inneren Kolben (31) als Zylinder und vergrössert und verkleinert durch seine Dreh-Hubbewegung die inneren Arbeitsräume (47) beidseits des inneren Kolbens (31). Im Beispiel führt ein Einlass-Kanal (30) in der zentralen Welle (14) via Rückschlagventile (32) in die inneren Arbeitsräume (47). Der Auslass erfolgt durch Schlitze (33) im Kolben (2) und im Zylinder (1), welche durch die Bewegung des Kolbens (2) geöffnet und geschlossen werden.
  • Die inneren Arbeitsräume können z.B. als Pumpe oder Verdichter verwendet werden, oder beispielsweise um das Arbeitsmedium vorzuverdichten und es von den inneren Arbeitsräumen (47) durch einen speziellen Kanal (34) in die Arbeitsräume (7) zu leiten. Bei Verwendung als Verdichter werden die Stirnseiten des inneren Kolbens (31) und die Innenform des Kolbens (2) vorteilhafterweise formlich so aufeinander angepasst, dass der Totraum klein ist.
    • Beschreibung der Erfindung
  • In der erfindungsgemässen Dreh-Hubkolben-Maschine wird der Arbeitsraum durch den Zylinder (1;1a,1b,1c) und entweder durch zwei Kolben (2) begrenzt, oder durch einen Kolben (2) und ein kolbenähnliches Glied (5). Die Kolben (2) rotieren um die Zylinderachse und machen zusätzlich eine oscillierende Hubbewegung entlang der Zylinderachse. Das kolbenähnliche Glied (5) macht nur eine Rotation um die Zylinderachse. Mindestens ein Kolben (2) oder ein kolbenähnliches Glied (5) steuert einen oder mehrere Schlitze in der Zylinderwand durch Zudecken oder Freigeben dieser Schlitze mit seiner Mantelfläche. Die stirnseitige Begrenzung dieser Mantelfläche ist nicht rotationssymmetrisch. Daher hat die Drehbewegung eine Wirkung auf das Oeffnen und Schliessen der Schlitze. Entsprechend der Erfindung kann der Totraum im oberen Totpunkt beliebig klein gemacht werden. Im Extremfall ist der Totraum annähernd gleich Null: In diesem Fall passen die beiden Kolben beziehungsweise der Kolben und das kolbenähnliche Glied mit ihren Stirnseiten wie eine Negativform und eine Positivform genau ineinander. Weil sich beide Teile im Zylinder drehen, besteht keine Behinderung der Drehbewegung.
  • Infolge von Kolbendrehung und Kolbenform ist jede beliebige Abfolge von Oeffnen und Schliessen der Schlitze möglich. Und es ist ein hohes Verdichtungsverhältnis realisierbar.
  • Daher lässt sich diese Erfindung für alle bekannten Anwendungen von Kolbenmaschinen einsetzen. 2-Takt-, 4-Takt-Motoren, Pumpen und Verdichter u.s.w., welche nach diesem Prinzip realisiert werden, sind daher nur verschiedene Arten von Verkörperungen der selben erfindungsgemässen Idee.
  • Eine erfindungsgemässe Version vermeidet den zweiten Nachteil bisheriger Dreh-Hubkolben-Maschinen mit Steuerung der Schlitze durch den Kolben: Sie vermeidet die resultierende radiale Kraftlkomponente, welche der Druck des Arbeitsmediums auf die nicht rotationssymmetrische Kolbenstirnfläche ausübt. In dieser erfindungsgemässen Version ist der Kolben zusätzlich so geformt, dass sich die radialen Querkraftkomponenten gegenseitig aufheben.
  • Der Kolben (2) einer anderen Version macht auch eine Dreh-Hubbewegung und dient mit seiner Innenfläche als Zylinder für einen darin eingeschlossenen zusätzlichen inneren Kolben (31). Dieser innere Kolben ist auf einer Welle oder Achse befestigt, welche in den Kolben (2) hineinreicht oder durch den Kolben (2) hindurchführt. Deshalb führt dieser innere Kolben (31) relativ zum ihn umschliessenden Kolben (2) eine Hubbewegung aus, wodurch dieses innere System ebenso als Kraft- oder Arbeitsmaschine arbeitet und beispielsweise benutzt wird um das Arbeitsmedium vorzuverdichten. (Figur 13 zeigt schematisch eine Ausführung davon).
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass die Dreh-Hubbewegung des Kolbens erzeugt wird mittels einer Kurvenbahn (3) und Führungen (4) (Fig. 1 und 6 bis 9), und dadurch dass die Führungselemente, beispielsweise Rollen oder Gleiter, miteinander durch Wippen (16) verbunden sind. Diese Wippen lösen das folgende Problem: Wenn die Führungselemente (4) fest mit dem Zylinder (1) verbunden sind, kann die Dicke des Kurvenbahn offensichtlich nicht konstant sein. (Vergleiche Figure 6 mit Figur 7 und siehe Figur 9a-9c).
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassschlitze oder mehrere Auslassschlitze oder mehrere Einlassschlitze und mehrere Auslassschlitze pro Arbeitsraum in der Zylinderwand existieren, und dadurch dass diese Einlassschlitze und/oder diese Auslassschlitze nicht gleichzeitig zusammen geöffnet und geschlossen werden. Dies wird erreicht, indem die Schlitze in der Zylinderwand auf solche Weise angeordnet sind, dass der Kolben oder das kolbenähnliche Glied diese nacheinander öffnet oder schliesst, oder durch Ventile oder ventilähnliche Vorrichtungen, welche mindestens einen dieser Schlitze zusätzlich öffnen oder schliessen. Beispiele hierzu werden nachfolgend erwähnt werden im Zusammenhang mit "Beispiele zur Ausführung der Erfindung".
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Arbeitsraum in Rotation versetzt oder verwirbelt wird: Diese Bewegung des Arbeitsmediums wird verursacht durch die Drehbewegung der Stirnflächen des Kolbens (2), beziehungsweise des kolbenähnlichen Glieds (5) und durch die Richtung des Einlasskanals oder der Einlasskanäle (8) welche eine tangetiale Komponente relativ zur Zylinderachse aufweisen.
  • Zusätzliche Drehungen oder Verwirbelungen des Arbeitsmediums können in der Nähe des oberen Totpunktes bewirkt werden durch die Form der zwei Stirnflächen. Das Arbeitsmedium wird zum Beispiel in einen Wirbelraum zwischen diesen beiden Stirnflächen eingeleitet. (Siehe Figur 10a - c).
  • In einer anderen Version ist die Synchronisation zwischen der Drehbewegung und der Hubbewegung des Kolbens variabel. Auf diese Weise werden zum Beispiel die Steuerzeiten der Schlitzsteuerung verändert. Diese verstellbare Synchronisation wird auf folgende Weise gemacht: Derjenige Teil der Vorrichtung zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung des Kolbens, welcher direkt oder indirekt am Zylinder (1) befestigt ist, ist relativ zum Zylinder um die Zylinderachse drehbar, oder derjenige Teil der Vorrichtung, welcher am Kolben (2) befestigt ist, ist drehbar um die Rotationsachse des Kolbens und daher auch relativ zur Stirnseite des Kolbens.
  • Eine andere Version hat die folgenden zusätzlichen charakteristischen Merkmale: Eine zentrale Welle (14) überträgt die Drehbewegung des Kolbens (2) auf eine oder zwei Aussen-Stirnseiten der Maschine. Sie ist so gemacht, dass zwischen Kolben (2) und zentraler Welle (14) ein Drehmoment übertragen wird und dass trotzdem die oscillierende Hubbewegung durch eine axiale Verschiebbarkeit gewährleistet ist. Dies wird erfindungsgemäss erreicht mittels Wälzkörper, welche Tangentialkräfte übertragen und sich während der Axialverschiebung rollend bewegen. Konstruktionen solcher Elemente sind bekannt als längsverschiebbare homokinetische Gelenke, welche für den Vorderradantrieb von Autos benutzt werden.
  • In einer anderen Version erfolgt die Drehmomentübertragung vom Kolben (2) auf die zentrale Welle (14) oder die Drehmomentübertragung zwischen zwei benachbarten Kolben (2) mittles einer oder mehrerer Membranen oder Bälgen oder anderer federartiger Elemente, welche die axiale Längsverschiebung durch elastische Verformung zulassen.
  • Bei einer anderen Version bildet das kolbenähnliche Glied (5) zugleich eine Komponente, z.B. der Anker, eines Elektromotors oder eines elektrischen Generators. Die andere Komponente, z.B. der Stator, des Elektromotors oder Generators ist direkt oder indirekt am Zylinder befestigt. Auf diese Weise wirken elektromagnetische Kräfte in tangentialer Richtung auf dieses drehende Glied.
  • Bei einer anderen Version erfolgt die Drehmomentübertragung zwischen den Kolben (2), oder zwischen dem Kolben (2) und dem kolbenähnlichen Glied (5), mittels Formschluss, indem die benachbarten Stirnseiten dieser Teile (2 oder 5) wie Klauen ineinander greifen. Die Form dieser Stirnseiten ist so auf die Hublänge abgestimmt, dass diese dauernd ineinander im Eingriff bleiben und auf diese Weise Tangentialkräfte mittels Gleitflächen übertragen.
  • Eine andere Version ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (2) und, falls vorhanden, das kolbenähnliche Glied(5) auf einem Schmierfilm aufliegen, welcher sich in jenem Bereich der Zylinderwand befindet, wo keine zu steuernden Schlitze (8/9) sind. Die Rotationsbewegung dieser Teile (2 und 5) erzeugt einen hydrodynamischen Schmierzustand. Bei Anwendungen, wo das Schmiermittel nicht in den Arbeitsraum (7;7a,7b) oder in die Schlitze gelangen darf, verhindert ein Dichtungselement, wie z.B. ein im Zylinder montierter Abstreifring, dass das Schmiermittel in den Arbeitsraum oder in die Schlitze gelangt.
  • Es gibt zusätzliche verschiedene Versionen, indem die Merkmale von mehreren verschiedenen Ansprüchen kombiniert werden.
    • Beispiele zur Ausführungen der Erfindung
  • Die Wahl der Ausführungsart der Erfindung hängt von der Grösse, der Verwendungsweise, dem Arbeitsverfahren der Maschine und so weiter ab. Im folgenden werden Ausführungsformen der erfindungsgemässen Dreh-Hubkolben-Maschine in der Anwendung als Verbrennungsmotor beschrieben, weil die Anwendung und Funktion von Kolbenmaschinen als Verbrennungsmotor am besten bekannt ist:
    Der Arbeitsraum (7) wird von zwei Kolben (2) begrenzt, welche beide eine Dreh-Hubbewegung ausführen. Dies hat den Vorteil, dass die relative Oberfläche des Arbeitsraumes klein ist. Die beiden Kolben steuern die Ein- und Auslassschlitze in den Zylinderwänden. Die Kolben sind erfindungsgemäss so geformt, dass das Verdichtungverhältnis so hoch ist, wie es für die Anwendung (z.B. Benzinmotor) erwünscht ist und dass der Druck des Arbeitsmediums keine resultierende Radialkraft auf die Kolben ausübt.
  • Die Kolben sind so geführt, dass sie entweder einen oder zwei Hubzyklen pro Umdrehung machen. Es sind je mehrere Schlitze für Einlass und für Auslass vorhanden. Diese werden auf spezielle Weise gesteuert, wie anhand der nachfolgenden Beispielen erklärt:
    Das erste Beispiel betrifft den Auslassvorgang bei einem Verbrennungsmotor, welcher durch die Abgasenergie aufgeladen ist, z.B. mittels Turbolader.
  • Bei bisherigen Motoren mit Abgas-Turbolader sieht der Auslassvorgang folgendermassen aus: 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 Abgassammelrohres entspannt. Dadurch geht in dieser ersten Phase des Auspuffens viel Nutzenergie verloren. Später fällt der Druck im Zylinder auf das Niveau des Abgassammelrohres ab. Die erfindungsgemässe Dreh-Hubkolben-Maschine funktioniert so: Wenn der erste Auslass öffnet, strömt das Abgas in ein Abgassammelrohr, in welchem der Druck relatig hoch ist. Wenn der Druck im Abgassammelrohr ungefähr den halben Zylinderinnendruck nicht übersteigt, so wird trotzdem Schallgeschwindigkeit erreicht. Das heisst: Die Entleerung des Zylinders wird dadurch nicht verlangsamt, der Motor "spürt" den höheren Gegendruck nicht. Etwas später öffnet der Kolben einen zweiten Auslasskanal, welcher die Abgase in ein anderes Abgassammelrohr führt, in welchem der Druck niedriger ist. Wenn der Druck im Zylinder ungefähr den Druck im ersten Abgassammelrohr unterschreitet, wird der erste Auslassschlitz geschlossen. Bei der einfachsten Variante führt der zweite Auslasskanal via Schalldämpfer direkt ins Freie. Oder die Abgase werden zuerst durch weitere Auslassschlitze in zusätzliche verschiedene Abgassammelrohre mit verschiedenen Druckniveaus zu Turboladern geführt. Wegen der höheren Ausbeutung der Abgasenergie in der ersten Phase erhält der Turbo genügend Energie und benötigt daher nicht die gesamte Abgasmenge. Der Zylinder-Innendruck ist nun daher in der späten Phase des Auspuffens bedeutend tiefer als das komprimierte Einlassgas. Dies bewirkt bei einem Viertaktmotor auch während des Gaswechsels eine deutlich spürbare zusätzliche Leistung und eine Verbesserung des Wirkungsgrades. Beim Zweitakt-Motor erreicht man dadurch einen ungemein schnellen und wirkungsvollen Gaswechsel.
  • Ein deutlicher Vorteil ergibt das im obigen Beispiel erwähnte Auslasssystem auch für die "Zusammenarbeit" zwischen Motor und Turbo und für die Charakteristik der Leistungsabgabe des Motors: Der erste Auslass ist beispielsweise so konstruiert, dass bei Vollast und eher tiefer Drehzahl das Abgas, während der Öffnungszeit des ersten Auslasses, mit Schallgeschwindigkeit ausströmt. Nun erhöhen wir die Drehzahl: Die absolute Dauer der Öffnungszeit des ersten Auslasses verkürzt sich linear mit der Drehzahl. Dafür erhöht sich linear die Anzahl der Öffnungen pro Zeiteinheit. Folglich bleibt die Abgasmenge und Energie vom ersten Auslass für den Turbolader ungefähr konstant. Auf der Verdichterseite jedoch ergibt sich infolge der höheren Drehzahl des Motors ein erhöhter Luftbedarf. Daher sinkt der Aufladedruck. Das Drehmoment des Motors nimmt daher mit abnehmender Drehzahl zu. Dies ist genau das erwünschte Gegenteil einer typischen Turbo-Motor-Leistungscharakteristik. Es ist auch sinnvoll und realisierbar, die Einlasskanäle in einem analogen System zu konstruieren. Das folgende Beispiel ist vor allem für Ottomotoren sinnvoll:
    Um die Zylinderfüllung und damit die Leistung verringern zu können - für Teillast -, verwendet man bei konventionellen Otto-Motoren Drosselklappen im Ansaugkanal. Das verschlechtert den Wirkungsgrad und stört beim 2-Takt-Motor den Gaswechsel. Beim Dreh-Hubkolben-Motor wird ungedrosselt angesaugt und die Füllung bei Teillast folgendermassen vermindert: Zu Beginn des Verdichtungstaktes entweicht ein Teil der angesaugten Luft durch Schlitze, welche durch Drosselklappen verschliessbar sind. Dadurch wird quasi der wirksame Hub verkürzt. N.B: Dieses Prinzip ist auch für die Variierung der Fördermenge von Pumpen und Verdichtern realisierbar.
  • Andere Anwendungen von zusätzlichen Schlitzen: Während des Verdichtens wird vorverdichtete Zusatzluft oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch durch einen speziellen Einlassschlitz in den Arbeitsraum geblasen. Der Brennstoff oder ein Brennstoff-Luft-Gemisch wird der angesaugten Luft erst hinzugegeben, wenn der Auslass geschlossen ist. Dadurch wird verhindert, dass unverbrannter Treibstoff emittiert wird. Die Fähigkeit des Kolbens, Öffnungen bzw. Flächen in der zylinderwand abzudecken, kann auch dazu benützt werden, Ventile, Düsen, Zünder, Sensoren usw. vor der hohen Verbrennungstemperatur oder dem hohen Druck zu schützen.

Claims (12)

  1. Kolbenmaschine, die als Arbeits- oder Kraftmaschine nutzbar ist, mit einem Zylinder (1), einem ersten Kolben (2), welcher derart im Zylinder (1) geführt ist, dass er eine Drehbewegung um die Zylinderachse und gleichzeitig eine oszillierende Hubbewegung parallel zur Zylinderachse ausführt, einem zweiten Kolben (2) oder einem kolbenähnlichen Glied (5), der oder das derart im Zylinder (1) geführt ist, dass er oder es zumindest eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt, wobei der Zylinder (1), der erste Kolben (2) und der zweite Kolben (2) oder das kolbenähnliche Glied (5) einen Arbeitsraum (7) begrenzen und wobei mindestens die Kante der dem Arbeitsraum (7) zugewendeten Stirnseite des ersten Kolbens (2) oder des zweiten Kolbens (2) oder des kolbenähnlichen Gliedes (5) einen oder mehrere in der Zylinderwand angeordnete Ein - und Auslassschlitze (8, 9) des Arbeitsraums (7) steuern,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die dem Arbeitsraum zugewendeten Stirnseiten des ersten und zweiten Kolbens (2) oder des ersten Kolbens (2) und des kolbenähnlichen Gliedes (5) derart geformt sind, dass diejenigen Kantenlinien, die diese Stirnseiten gegen die Mantelfläche der Kolben (2) oder des kolbenähnlichen Gliedes hin begrenzen, nicht rotationssymmetrisch bezüglich der Zylinderachse sind und dass die zwei den Arbeitsraum (7) in axialer Richtung begrenzenden Stirnseiten der Kolben (2) oder des kolbenähnlichen Gliedes (5) bezüglich ihrer Form und Position so zusammenpassen, dass der Arbeitsraum (7) im oberen Totpunkt der Kolbenmaschine beliebig klein ausgelegt werden kann.
  2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite der Kolben (2) so geformt ist, dass die vom Druck des Arbeitsmediums herrührenden radialen Kraftkomponenten auf die Stirnseite sich gegenseitig kompensieren, so dass jeweils nur eine axiale Kraft auf den Kolben resultiert.
  3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kolben (2) hohl ausgebildet ist und mit seiner Innenfläche als Zylinder für einen darin eingeschlossenen inneren Kolben (31) dient, welcher auf einer zentralen Welle (14) oder Achse befestigt ist, die in den Kolben hineinreicht oder durch ihn hindurch geht, wobei dieser innere Kolben (31), relativ zum ihn umschliessenden Kolben (2), eine Hubbewegung ausführt, wodurch das innere System als weitere Kolbenmaschine funktioniert.
  4. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung der Kolben (2) mittels mindestens einer Kurvenbahn (3) erzeugt wird, welche sich auf einer oder mehreren Führungen, bestehend aus Führungselementen wie beispielsweise Rollen oder Gleiter, abstützt und welche eine Dreh-Hubbewegung relativ zu diesen Führungen ausführt, wobei diese Führungselemente (4) miteinander durch Wippen (16) verbunden sind.
  5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassschlitze oder mehrere Auslassschlitze oder mehrere Einlass- und mehrere Auslassschlitze pro Arbeitsraum in der Zylinderwand vorhanden sind, und dass diese Einlassschlitze oder dass diese Auslassschlitze nicht gleichzeitig miteinander geöffnet oder geschlossen werden.
  6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium im Arbeitsraum in Rotation versetzt oder verwirbelt wird durch die Drehbewegung der dem Arbeitsraum zugewandten Stirnflächen und durch die Richtung des Einlasskanals oder der Einlasskanäle (8), welche eine tangentiale Komponente relativ zur Zylinderachse aufweisen.
  7. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisierung zwischen der Kolbendrehung und der Hubbewegung verstellbar ist, indem derjenige Teil der Vorrichtung, welche die Dreh-Hubbewegung des Kolbens erzeugt, welcher direkt oder indirekt am Zylinder (1) befestigt ist, relativ zum Zylinder drehbar um die Zylinderachse ist, oder indem der andere Teil dieser Vorrichtung, welcher am Kolben (2) befestigt ist, relativ zur Stirnfläche des Kolbens um die Drehachse des Kolbens drehbar ist.
  8. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragung der Drehbewegung eines der Kolben (2) auf einen anderen Kolben (2), auf ein kolbenähnliches Glied (5) und/oder aus der Maschine heraus mittels einer entlang der Zylinderachse verlaufenden zentralen Welle (14) erfolgt, wobei die Drehmomentübertragung vom Kolben (2) auf die zentrale Welle (14) mittels Wälzkörper erfolgt, welche Tangentialkräfte übertragen und sich während der Axialverschiebung rollend bewegen wie längsverschiebbare homokinetische Antriebsgelenke.
  9. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentübertragung von einem der Kolben (2) auf die zentrale Welle (14) oder die direkte Drehmomentübertragung zwischen zwei benachbarten Kolben mittels einer oder mehrerer Membranen oder Bälgen oder anderen federähnlichen Elementen erfolgt, welche die axiale Längsverschiebbarkeit durch elastische Deformation zulassen.
  10. Kolbenmaschine nach Anspruch 1,2 3,4,5,6,7,8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das kolbenähnliche Glied (5) so gestaltet ist, dass es eine Komponente eines Elektromotors oder eines Elektrogenerators bildet, wobei die andere Komponente des Elektromotors oder Generators direkt oder indirekt am Zylinder befestigt ist.
  11. Kolbenmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehbewegung zwischen den Kolben (2) oder zwischen einem Kolben (2) und einem kolbenähnlichen Glied (5) mittels Formschluss zwischen den zwei benachbarten, den Arbeitsraum begrenzenden Stirnflächen übertragen wird.
  12. Kolbenmaschine nach Anspruch 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (2) auf einem Schmierfilm aufliegen, der sich in jenem Bereich der Zylinderwand befindet, wo keine zu steuernden Schlitze sind, und dass das Schmiermittel, falls es nicht in den Arbeitsraum oder in die Schlitze gelangen darf, mittels eines Abstreifrings oder anderer Dichtelemente vom Arbeitsraum und den Schlitzen ferngehalten wird.
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