WO2005121527A1 - Hub-drehkolbenmotor - Google Patents

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WO2005121527A1
WO2005121527A1 PCT/IB2005/001517 IB2005001517W WO2005121527A1 WO 2005121527 A1 WO2005121527 A1 WO 2005121527A1 IB 2005001517 W IB2005001517 W IB 2005001517W WO 2005121527 A1 WO2005121527 A1 WO 2005121527A1
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Walter Colombi
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Taaut S.R.L. G.M.B.H.
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    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention allows: greater performance; Reduction of energy losses; Reduction of consumption with the same performance; - reduction of pollution when using conventional fuels; Achieve greater performance with the same cubic capacity and the same type of fuel; Execution of a more suitable combustion chamber when using hydrogen as fuel; a greater torque; in case of equal performance, execution of smaller motor housings with geometries that allow space savings; - Simplification of engine technology with a consequent reduction in production costs; Reduction in the number of engine components; Reduction of the complexity of the individual engine components; - Achieve smoother and more regular operations; Simplification of cooling of engine components; making the lubrication of the parts in motion more effective; Reduction of lubricant consumption; Reduction to a minimum of the friction of the entire system.
  • Reciprocating piston engine In the known reciprocating piston explosion engines, the piston has a cylindrical appearance, the upper side defines the moving side of the combustion chamber. It moves up and down within a hollow volume of cylindrical shape (cylinder).
  • the up and down reciprocating pistons have a rectangular cross-section, although not square; the head side has an undulating configuration and is one of the movable and active sides of the combustion chamber; the profile of the upper side of the piston is calculated mathematically in the light of precise geometric and kinematic relationships.
  • Such "prismatic" pistons like the conventional pistons, move up and down within a hollow volume, also more prismatic Shape.
  • the intake / combustion chamber consists of a hollow volume of cylindrical shape, within which the cylindrical piston can be moved back and forth in the direction of the cylinder axis.
  • the rotor moves within a hollow volume, the lower and upper walls of which have an approximately eight-shaped view; the thickness of the rotary lobe determines the height of this hollow volume.
  • the eccentric rotation of the rotor sides draw the precise geometry of the combustion chamber.
  • the space between the rotor flanks and the eight-shaped profile of the container alternately takes on the task of an intake, Combustion and exhaust chamber, etc. by changing the appropriate volume appropriately.
  • the combustion or suction chamber is formed by the geometric interaction between the rotary piston in its rotation and the prismatic reciprocating piston in its up and down movement. Similar to the Wankel engine, the thickness of both the rotary piston and the prismatic piston corresponds to the height of the combustion chamber.
  • the upper and lower flanks of the combustion chamber can be fixed and fixed to the rest of the chamber or alternately turn in the form of two disks or toothed rings which are fixedly attached to the rotary piston together with these. In this case, the side walls that guide the pistons are the only fixed part of the system.
  • the specified solution using the centrifugal force, allows the lubricant to be directed in the direction of the engine parts that need it the most, while at the same time creating the conditions for low consumption of the Wankel engine.
  • Rotary piston it is located in the middle of the system and rotates around its own axis;
  • Reciprocating piston they are arranged radially around the rotary piston (rotor); their number corresponds to the number of corrugated flanks of the rotor (for example in the figure 10 reciprocating pistons);
  • the axis of the reciprocating pistons can be directed both towards and not towards the center of the system (in theory, the profile of the top flank of the piston can be calculated for all directions). This means that the incidence of the axis of the reciprocating piston with respect to the tangent of the circle of the rotor at the point of incidence is at an angle below 90 ° ( ⁇ / 2).
  • each connecting rod of each individual piston moves its own crankshaft (drive shaft).
  • the crankshafts are located on the edge of the system.
  • Rotation of the crankshafts in a four-piston system corresponds to a quarter of the rotation of the central rotor (in a six-piston system, 1/6 corresponds to a rotation, etc.).
  • the side walls of the moving chamber of a reciprocating piston are perpendicular to those of the adjacent pistons.
  • N number of flanks of the rotor
  • the angle of incidence between the pistons is therefore 60 ° (2 ⁇ / 6), etc.
  • the conditions described must be "millimeter" by a gear system controlled.
  • the rotor and the reciprocating piston may hardly touch each other or not at all.
  • the rotor 3 is not a cam, since the explosion of the fuel exerts its pressure both on one of the undulating flanks of the rotor and on the undulating flanks of two adjacent pistons.
  • the first part deals with the centered crank gear: This part belongs to the field of the known contents of the present invention and aims to investigate how a fixed point of the piston, which is connected to the crank gear with a piston, changes via a connecting rod on the reference axis according to the amount of the angle of the crank against the same axis. Even though it is a known argument, as can be seen below, its application has original sections in the present description.
  • the second part calculates the profile that the piston must have with respect to both the previously calculated crank mechanism and the displacement at a point that runs on the circle of diameter "R", which rotates the rotor according to certain conditions with the Movement of the crank circumscribes.
  • the third part calculates the profile that the flanks of the rotor must have, whereby the following causality is mathematically presented and described.
  • the rotor was originally a simple disk with a diameter "R"; - That this disc rotates according to a predetermined law, which is linked to the movement of the piston; that the piston penetrates in the direction of the circle based on the characteristics of both the incidence described in (b) and the profile calculated by the method described in (b) according to the laws calculated in (a); that this work, which is carried out by the piston, is comparable to the tool in a lathe, which works out the rotor, it turns out that the turning work will produce the profile of the rotor flanks sought.
  • PS The curves expressed by the following functions have the degree of approximation / accuracy of mathematics. In design practice, since the moving parts are hardly allowed to graze, tolerances have to be used, which may vary from case to case due to the properties of the materials used to manufacture the engine, but are excluded from the description.
  • the calculation of the profile is obtained by relating the previously calculated crank mechanism to the displacement of a point that runs on the circle circumscribing the rotation of the motor: this relationship corresponds to the given movement conditions and is the subject of the invention. 0
  • the functions expressed below allow the calculation of piston / rotor systems, regardless of the number of pistons, but this number must be greater than 2.
  • systems which have a number of cranks, which is in any case even, starting from a minimum number 4 make sense.
  • the circle circumscribing the rotor
  • R radius of the circle ⁇
  • Pi denotes the point of incidence of straight line xx i "at circle ⁇ ;
  • P 3 denotes the end of the first arc of ⁇ of the corresponding piston;
  • angle of incidence of the piston measured at point Pi with respect to the tangent of this circle, continuously through the point itself;
  • the piston starting from P lr , executes a width in the direction of point P 3 equal to ⁇ / N for 0 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ of the crank mechanism.
  • the preceding width, or P 2 to P x is carried out, the crank mechanism - ⁇ ⁇ ⁇ 0.
  • a reference system xy is considered, which is fixed to the described movement with the crank mechanism and angled with respect to ⁇ with the abscissa axis (Y) "i" (FIG.
  • the calculation principle regarding the curve of the rotary lobe is more complex than the calculation of the curve of the reciprocating lobe.
  • the first passage provides for the calculation of the angle ⁇ between "E" e X '.
  • the eccentric shaft makes three complete rotations. During each complete rotation of the rotor, three complete four-phase circuits with three firings are carried out. Three firings therefore make three revolutions of the eccentric shaft.
  • the ignition candles at the same time therefore, with four reciprocating pistons, four spark plugs work simultaneously.
  • the engine part of the present invention improves the ratio between firings and rotation with the drive shaft from 1: 1 (1 firing / explosion of each rotation of the drive shaft) to 16: 1 (8 firings / explosions of each rotation of the motor shaft) / Rotor): the effectiveness of the motor is significantly increased.
  • the transmission of energy is immediate because the motor shaft is fixed to the rotor; With the Wankel engine, energy is transferred via friction between the rotor and the eccentric shaft.
  • each rotation of the crankshafts of the reciprocating pistons is tied to an ignition; The work of all four spark plugs present in the engine (if with four pistons) allows all 4 pistons of the system to be moved and loaded evenly at the same time.
  • the four phases similar to conventional engines, also in this system the circuit is divided into the following four phases: 1. suction (expansion of the volume with open inlet valves of the mixture) 2. compression (reduction of the volume with closed valves) 3 Ignition with explosion (explosion of the volume with kinetic energy generation) 4. Discharge (reduction of the volume with open drain valves).
  • suction expansion of the volume with open inlet valves of the mixture
  • compression reduction of the volume with closed valves
  • Ignition with explosion explosion of the volume with kinetic energy generation
  • Discharge disduction of the volume with open drain valves.
  • the valve system is introduced into the rotor; The exhaust gases are sucked in and discharged via a system of the collecting channels, which is inserted (milled) into the rotor.
  • Injection if one does not choose a direct injection system, this is the most suitable solution for the present invention.
  • An appropriately designed injection nozzle can be introduced within the air inlet duct arranged axially to the rotor.
  • PS The spark plugs are necessary in the case of fuels that require spark-guided ignition; in the case of these, injectors can be used similar to those of the known common rail injectors, which take the place of the spark plugs.
  • conventional spark plugs or industrial injection nozzles can be used. In this case the compression is reduced. Otherwise, components have to be developed for this engine, such as injection nozzles or spark plugs.
  • crankshaft makes two rotations.
  • the eccentric shaft With the Wankel motor with each complete revolution of the rotor, the eccentric shaft makes three complete rotations. During each complete rotation of the rotor, three complete four-phase circuits with three firings are carried out. Three firings therefore make three revolutions of the eccentric shaft.
  • the engine part of the present invention improves the ratio between the ignitions and the rotation with the drive shaft to 1: 1 (1 ignition / explosion of each rotation of the drive shaft) up to 8: 1 (8 ignitions / explosions of each rotation of the motor shaft / rotor): the effectiveness of the motor is increased significantly, at least fourfold.
  • the transmission of energy is immediate because the motor shaft is fixed to the rotor; With the Wankel engine, energy is transferred via friction between the rotor and the eccentric shaft.
  • each rotation of the crankshafts of the reciprocating pistons is tied to an ignition; the work of the two spark plugs present in the engine (if with four pistons) allows all 4 pistons of the system to be moved simultaneously.
  • the part of the present invention which is comparable to a conventional reciprocating piston engine almost allows the effectiveness to be doubled.
  • the four-phase circuit will contribute in the present invention, the kinematic and thermal behavior is comparable to that of a two-phase motor.
  • FIG. 9 shows a cross section in a plane containing the axis of rotation of an engine according to the invention in a first embodiment as a four-tract engine
  • FIG. 10 shows a cross section of the motor according to the invention as in FIG. 9,
  • FIG. 11 shows a diagram of the motor according to the invention with partially omitted details on the rotary piston
  • FIG. 12 shows a view like FIG. 11, but without a lower ring gear
  • FIG. 13 shows a view like FIGS. 11 and 12, but only with the valve bodies
  • FIG. 13a shows a diagram of the valve body and the lateral bushings of the pistons
  • Figure 14 is a view like Figures 11 to 13, but outside the combustion chamber of the engine, and FIG. 15 shows a diagram of a reciprocating piston
  • Figure 16 is a plan view of a reciprocating / rotary piston engine according to the invention in a second embodiment as a two-stroke engine, and
  • FIG. 17 shows cross sections along the section line XVI-XVI from FIG. 16, in positions 17a, 17b, 17c and 17d, the cross sections of positions b), c) and d) being shown reduced.
  • the reference number 1 indicates in its entirety an inventive reciprocating / rotary piston engine. It comprises a housing 2 and a rotor 3, which is accommodated in the housing 2 via bearings 4 and 5.
  • the bearings are formed from tapered roller bearings.
  • Spaces 6, 7, 8 and 9 are formed in body 2, each of which has a coating 10.
  • Each room is arranged with its main axis perpendicular to the adjacent room and rooms opposite to each other have axes offset parallel to each other.
  • a piston 11, 12, 13 and 14 runs in rooms 6, 7, 8 and 9. Each piston is articulated on a connecting rod 15, which in turn is articulated on a crankshaft 16.
  • the crankshafts 16 are rotatably arranged in bearings 17 and 18 outside the spaces 6, 7, 8 and 9 in a ring of the housing 2, which in its lugs 19 and 20 supporting the bearings 17 and 18 is shown schematically.
  • the housing 2 is closed on the outside by a cover 21 and 22, which receives lubricant and thus acts as an oil pan.
  • Each space 6, 7, 8, and 9 is closed laterally perpendicular to the axis of rotation of the rotor 3 by a ring gear 23 and 24, respectively.
  • a rotary piston 25 fixed to the same is formed between the two ring gears 23 and 24. With each ring gear 23 and 24 meshes a gear 26 and 27.
  • the gears 26 and 27 are on the
  • crankshafts 16 pulled up. Each crankshaft 16 extends outwards, an output 28 being formed outside the body 2.
  • Each reciprocating piston 11, 12, 13 and 14 has an active surface 29 which forms a chamber 31 with an active surface 30 of the rotary piston.
  • the active surfaces 29 and 30 have a clearly defined profile on the side and have been calculated above with reference to FIGS. 1 to 8. On each formed between two adjacent rooms
  • a spark plug 32 and 33 can be ignited in the chambers formed between the active surfaces.
  • the rotary piston 25 has a cavity 34 on the inside, which is connected to an injection nozzle 35 carried by an axial bush 36 inserted in the cover 21 and to an impeller 37 which acts as a turbo wheel as explained below.
  • the housing 2 expediently has ribs 38 outside the rooms 6, 7, 8 and 9 and chambers 39 between the solid walls of the rooms for water cooling.
  • the rotary piston 25 has four vertices 40, 41, 42, and 43, between each of which an active surface 29 is formed.
  • the cavity 34 is connected on the one hand via a channel 44 to the impeller 37, for the air supply in the direction of arrow 45 and via an opening 46 to the chamber 31.
  • Each opening 26 can be opened and closed via a valve body 47 which connects to its axial ends are each provided with a bolt 48 (FIG.
  • an outlet 50 is provided in each active surface, which is connected via a channel 51 to an outlet provided according to arrow 52 via an impeller 37.
  • the outlet 50 can be opened and closed by means of a slide 53, which is provided with two brackets 54 with a cap 55 ′′ .
  • the cap 55 and a corresponding element (not shown) at the other end of the slide slide into corresponding guides 56 which between the sleeve 36 and the one not specified and the covers 21 and 22 are formed on toroidal cams 57 in order to bring the bracket into a passage position for the outlet of exhaust gases.
  • a plurality of passages 58 and a plurality of recesses 59 are provided in each ring gear along a radial band of the ring gear itself so as to supply the reciprocating piston with lubricant and the chamber in the upper region 31, while the recesses 59 serve for the oil supply for lubrication.
  • Deflectors 60 are also provided on the outer surfaces of the ring gears and are inclined at the bottom in the direction of rotation of the motor in order to ensure adequate ventilation and therefore cooling of the upper and lower sides of the chamber (23 and 24).
  • a receptacle of the housing 62 outside the sprockets 23 and 24, e.g. an alternating current generator, of a known type and not shown, can be accommodated, which meshes with a gear in the corresponding ring gear 23 or 24.
  • an alternating current generator of a known type and not shown
  • FIGS. 16 and 17 show a reciprocating piston 100 according to the invention as a two-stroke engine
  • the principle is similar to that of conventional 2-stroke engines. This means that the two usual two phases of a 2-stroke engine are also possible in this system: The intake takes place through intake slots 101 for the air-fuel mixture, but without the addition of lubricating oils, neither by supplying the mixture from the crankshaft housing.
  • the compression takes place with closed slots.
  • the ignition then takes place via spark plugs 102 with an explosion (volume expansion with energy generation).
  • the exhaust takes place through the exhaust slots 103 thanks to the exhaust gas acceleration caused by the exhaust pipe vessel.
  • this system it is possible with this system to allow fresh air to flow in through the inlet slots and to mix the possible fuels into the combustion chamber by direct injection.
  • a reciprocating / rotary piston engine has been described as an explosion engine. However, it is obvious that the invented stroke / rotary engine according to the invention can be used as any fluid machine.

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Abstract

Beschrieben wird ein Hub-/Drehkolbenmotor, umfassend ein Gehäuse, in dem ein Rotor drehbar aufgenommen und eine Vielzahl von Räumen ausgenommen ist, in welchen die Kol­ben auf- und ablaufen Gemäß der Erfindung ist der Rotor durch einen Drehkolben (25) gebildet, der eine Vielzahl von aktiven Flächen zwi­schen seinen Scheiteln (zwei, vier, sechs, ..., n aktive Flächen), die der Anzahl von Hubkolben entspricht und mit entsprechenden aktiven Flächen der Hubkolben mit wechsel­weise verbindbaren Kammern mit einer Kraftstoffspeisung, einer Vergasung und einem Abgasauslass.

Description

Hub-Drehkolbenmotor
Es handelt sich um einen Motor, bei dem die Drehkolbentechnologie mit jener eines Hubkolbens auf ideale und neue Weise kombiniert wird.
Gegenüber den bekannten Explosionsmotoren erlaubt die vorliegende Erfindung: eine größere Leistungsfähigkeit; Verminderung der Energieverluste; Herabsetzung des Verbrauchs bei gleicher Leistung; - Herabsetzung der Verschmutzung, wenn herkömmliche Kraftstoffe verwendet werden; Erzielung einer größeren Leistung bei gleichem Hubraum und gleicher Art von Kraftstoff; Ausführung einer geeigneteren Verbrennungskammer bei der Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff; ein größeres Drehmoment; bei Leistungsgleichheit, Ausführung von kleineren Motorgehäusen mit Geometrien, die Platzersparnisse erlauben; - Vereinfachung der Motortechnik mit daraus folgenden Herabsetzung der Produktionskosten; Verminderung der Anzahl der Motorbestandteile; Verminderung der Komplexität der einzelnen Motorkomponenten; - Erzielung einer fließenderen und regelmäßigeren Betriebsweise; Vereinfachung der Kühlung der Motorbestandteile; eine wirksamere Gestaltung der Schmierung der Teile, die in Bewegung sind; Herabsetzung des Schmiermittelverbrauches; Herabsetzung auf ein Minimum der Reibungen des gesam- ten Systems.
Die angegebenen Vorteile werden im Verlaufe der Beschreibung näher beschrieben sowie begründet.
Zur Erleichterung der Verständlichkeit der vorliegenden Erfindung werden in der Beschreibung Begriffe und Definitionen des Drehkolbenmotors Wankel sowie des vierphasigen Hubkolbenmotors aufgenommen und verwendet.
Definitionen
Hubkolbenmotor : In den bekannten Hubkolbenexplosionsmotoren besitzt der Kolben ein zylindrisches Aussehen, die obere Seite legt die sich bewegende Seite der Verbrennungskammer fest. Er bewegt sich auf und ab innerhalb eines Hohlvolumens zylindrischer Form (Zylinder) .
In der vorliegenden Verwendung weisen die auf- und abbewegten Hubkolben einen rechteckigen Querschnitt, wenn auch nicht quadratisch, auf; die Kopfseite weist eine wellenförmige Ausbildung auf und ist eine der beweglichen sowie aktiven Seiten der Brennkammer; das Profil der oberen Seite des Kolbens wird mathematisch im Lichte von ge- nauen geometrischen und kinematischen Verhältnissen berechnet. Solche "prismatische" Kolben bewegen sich, ähnlich wie die herkömmlichen Kolben, auf und ab innerhalb eines Hohlvolumens, gleichfalls prismatischer Form. Drehkolben- Im Drehkolbenmotor Wankel besteht der Kolben, auch genannt Rotor, aus einem Körper mit zwei abgewandten, etwa dreieckigen Seiten; die Seiten dieses Dreieckes, d.h. die daraus sich ergebenden Seiten weisen eine leicht konvexe Oberfläche auf. Dieser Körper (Rota- tiv- oder Drehkolben) ist an einer exzentrischen Welle angebracht, die durch die Drehung des Drehkolben selbst in Bewegung gesetzt wird.
- Der in der neuen Anwendung beschriebene Drehkolben kann von einem Kreis umschrieben werden und 4, 6, 8, ..., N (N = gerade Zahl) Seiten besitzen. Die diesen Seiten entsprechenden Flanken weisen einen wellenförmigen Verlauf auf, dessen Profil in Abhängigkeit des Profils der Kopfflanke des Hubkolbens mathematisch bestimmt werden kann. Die Drehung erfolgt zentriert auf die eigene Achse . Verbrennungs- (Explosions) -Kammer:
Bei den Hubkolbenmotoren besteht die An- saug/Verbrennungskammer aus einem Hohlvolumen zylindrischer Form, innerhalb dem der zylindrische Kolben in Richtung der Zylinderachse hin- und herbewegt werden kann.
- Beim Motor Wankel bewegt sich der Rotor innerhalb eines Hohlvolumens, deren untere und obere Wände eine etwa achtförmige Ansicht aufweisen; die Dicke des Drehkolbens bestimmt die Höhe dieses Hohlvolumens. Die Rotorseiten zeichnen durch die exzentrische Drehung desselben die ge- naue Geometrie der Verbrennungskam er. Der Raum zwischen den Rotorflanken und dem achtförmigen Profils des Behälters nimmt wechselweise die Aufgabe einer Ansaug-, Verbrennungs- und Ausstoßkammer, usw. an, indem zweckmäßiger Weise das entsprechende Volumen geändert wird.
In der vorliegenden Anwendung wird die Verbrennungs- bzw. Ansaugkammer durch die geometrische Zusammenwirkung zwischen dem Drehkolben in seiner Drehung und dem prismatischen Hubkolben in seiner Auf- und Abbewegung gebildet. Ähnlich dem Wankelmotor entspricht die Dicke sowohl des Drehkolbens als auch der prismatischen Kolben der Höhe der Verbrennungskammer. Die obere und untere Flanke der Verbrennungskammer können fest und am Rest der Kammer festliegen bzw. wechselweise in der Form von zwei Scheiben drehen bzw. von Zahnkränzen, die am Drehkolben festliegend zusammen mit diesen angebracht sind. In diesem Fall stellen die Seitenwände, welche die Hubkolben führen, das einzige feste Teil des Systems dar.
Die angegebene Lösung, unter Ausnützung der Zentrifugalkraft, erlaubt das Schmiermittel in Richtung der Mo- torteile zu leiten, die es am meisten benötigen, wobei gleichzeitig gegenüber dem Wankelmotor die Bedingungen für einen kleinen Verbrauch desselben geschaffen werden.
Geometrische Anordnung der verschiedenen Motorteile:
Die geometrische Anordnung der verschiedenen Teile des Motors kann wie folgt beschrieben werden:
1. Drehkolben: er ist in der Mitte des Systems angeord- net und dreht sich um die eigene Achse;
2. Hubkolben: sie werden radial um den Drehkolben (Rotor) herum angeordnet; ihre Anzahl entspricht der An- zahl der gewellten Flanken des Rotors (beispielsweise in der Figur 10 Hubkolben) ;
3. Die Achse der Hubkolben kann sowohl in Richtung, als auch nicht in Richtung der Mitte des Systems gerichtet (in der Theorie kann das Profil der Kopfflanke des Kolbens für alle Richtungen berechnet werden) . Dies bedeutet, dass der Einfall der Achse des Hubkolbens gegenüber der Tangente des Kreises des Rotors im Einfallpunkt einen Winkel unterhalb von 90° (π/2) .
4. Die Kopfflanke des Hubkolbens ist in Richtung des Drehkolbens gerichtet; jede Pleuelstange eines jeden einzelnen Hubkolbens bewegt eine eigene Kurbelwelle (Antriebswelle) . Die Kurbelwellen sind am Rande des Systems angeordnet.
Kinematische und geometrische Verhältnisse zwischen Rotor und Hubkolben:
Eine Drehung der Kurbelwellen in einem System mit vier Kolben entspricht einem Viertel der Drehung des mittigen Rotors (in einem System mit sechs Kolben entspricht 1/6 einer Drehung, usw.). Bei einem System mit vier Kolben fallen die Seitenwände der sich bewegenden Kammer eines Hubkolbens senkrecht gegenüber jenen der anliegenden Kolben ein. Verallgemeinend kann gesagt werden, dass mit INI- Kolben der Einfallwinkel zwischen den Kolben gleich 2π/N (N = Anzahl der Flanken des Rotors) ist. Bei einem System mit sechs Hubkolben ist der Einfallswinkel zwischen dem Kolben daher gleich 60° (2π/6) , usw. Die beschriebenen Verhältnisse müssen „millimeterweise" von einem Zahnrad- system gesteuert werden. Rotor und Hubkolben dürfen sich kaum oder auch gar nicht berühren.
P.S.: Der Rotor 3 ist keine Nocke, da die Explosion des Kraftstoffes ihren Druck sowohl auf eine der wellenförmigen Flanken des Rotors als auch auf die wellenförmigen Flanken von zwei anliegenden Hubkolben ausübt.
Mathematische Beschreibung des Systems:
Die nachfolgend wiedergegebenen Formeln beschreiben eindeutig die Geometrie, die sowohl die bogenförmigen Flanken des Hubkolbens als auch jene des Drehkolbens besitzen müssen. Die Formeln wurden geschrieben, um Systeme mit Rotoren von 4 bis "N" Flanken und daher jeweils eine Anzahl von Kolben von 4 bis "N".
Die vorliegenden Formeln sind integrierender Anteil der vorliegenden Erfindung: Sie sind auch unabhängig von der in der vorliegenden Erfindung enthaltenen Anwendung schützenswert .
a) Der erste Teil behandelt das zentrierte Kurbelgetriebe: Dieser Teil gehört dem Gebiet der bekannten In- halte der vorliegenden Erfindung und hat als Ziel zu untersuchen wie ein fester Punkt des an das Kurbelgetriebe mit gebundenem Kolben über eine Pleuelstange an der Bezugsachse sich ändert, je nach dem Betrag des Winkels der Kurbel gegenüber derselben Achse. Auch wenn es sich um ein bekanntes Argument handelt, wie nachstehend ersichtlich, hat dessen Anwendung in der vorliegenden Beschreibung originale Abschnitte. b) Der zweite Teil berechnet das Profil, das der Kolben bezüglich sowohl des zuvor berechneten Kurbelgetriebes als auch bezüglich der Verschiebung in einem Punkt haben muss, der auf dem Kreis des Durchmessers "R" läuft, der die Drehung des Rotors gemäß bestimmten Verhältnissen mit der Bewegung der Kurbel umschreibt. Die Gleichung der gesuchten Krümmung wird in zwei Modalitäten ausgedrückt: 1. in expliziter Form y = /(x) 2. in Parameterform was die "x" und die "y" betrifft, um die Austragung der Daten zu einem Zeichenprogramm CAD zu erlauben.
c) Der dritte Teil berechnet das Profil, das die Flanken des Rotors haben müssen, wobei mathematisch die folgende Kausalität vorgestellt und beschrieben wird. Man nehme an : dass der Rotor ursprünglich eine einfache Scheibe mit Durchmesser "R" sei; - dass diese Scheibe gemäß einem vorgegebenen Gesetz umläuft, das an die Bewegung des Kolbens gebunden ist; dass der Kolben aufgrund der Merkmale sowohl des Einfalls, beschrieben in (b) , als auch des durch das in (b) bezeichnete Verfahren berechnete Profil in Richtung des Kreises gemäß der in (a) berechneten Gesetzten eindringt; dass diese Arbeit, die vom Koben ausgeführt wird mit dem Werkzeug in einer Drehbank vergleichbar ist, die den Rotor ausarbeitet wird sich ergeben, dass die Dreharbeit das Profil der gesuchten Rotorflanken erzeugen wird. P.S.: Die durch die folgenden Funktionen ausgedrückten Kurven haben den Näherungs-/Genauigkeitsgrad der Mathematik eigen ist. In der Konstruktionspraxis, da die sich bewegenden Teile kaum streifen dürfen, müssen Toleranzen verwendet werden, die von Fall zu Fall durch die Eigenschaften der Materialien geändert werden, die für die Herstellung des Motors verwendet werden, werden jedoch von der Beschreibung ausgeschlossen.
a) Kurbelgetriebe
Festgelegt ein Bezugssystem mit Ursprung in der Drehmitte der Kurbel (Figur 1) und setzend:
r = Kurbellänge (Radium) d = Pleuelstangenlänge φ = Winkel der Kurbel gegenüber der Bezugsachse (ausgedrückt in Radianten)
es sei: li = r cos φ 12 = r sen φ
Der Kolben, in Bewegung längs der Achse y beschreibt Positionen mit Änderung von φ gegeben (Figur 1) durch: y : -/, +• d'< y = ~rcosφ + ^d2 - r2sin2φ
mit 0 ≤ φ ≤ π und mit - π ≤ φ ≤ 0 Unter Berücksichtigung dass: 0 = Anfangspunkt des Kurbelgetriebes mit Winkel φ =0 φ = 0 y = -r + d (kleinste Stellung = 0)
Figure imgf000011_0001
5 φ = π y = r + d (höchste Stellung = A) "A" wird den Ankunftspunkt darstellen .
Die Gleichung der Kolbenbewegung wird daher sein :
^ Q y = -r cos φ + ^d2 -r2sin2φ = f(φ) b) Berechnung des Kurbelprofils
Die Berechnung des Profils wird erhalten, indem das zuvor 15 berechnete Kurbelgetriebe mit der Verschiebung eines Punktes in Relation gebracht wird, der auf dem Kreis läuft, der die Drehung des Motors umschreibt: diese Beziehung entspricht den vorgegebenen Bewegungsverhältnissen und ist Gegenstand der Erfindung. 0 Die nachfolgend ausgedrückten Funktionen erlauben die Berechnung von Systemen Kolben/Rotor, unabhängig von der Anzahl von Kolben, jedoch muss diese Anzahl größer als 2 sein. Für die Betriebsweise der vorliegenden Erfindung 5 haben Systeme Sinn, die eine Anzahl von Kurbeln besitzen, die jedenfalls gerade ist, ausgehend von einer Mindestanzahl 4.
Zusätzlich zu jenen vorangegangenen, werden weitere Ter- 0 minologien festgelegt: Es seien :
ψ = der den Rotor umschreibende Kreis; X Y = das Bezugssystem,' auf das ψ zentriert wird, d.h. der Rotor;
R = Radius des Kreises ψ;
N = Anzahl der Rotorflanken = Anzahl der Kurbelgetriebe = Anzahl der Unterteilungen des Kreises ψ; i - Einfallsgerade des Kolbens, die am mittleren Punkt des entsprechenden Bogens angewandt ist;
Pi = bezeichnet den Einfallpunkt der Geraden xxi" am Kreis ψ; P3 = bezeichnet das Ende des ersten Bogens von ψ des entsprechenden Kolbens; α = Einfallwinkel des Kolbens gemessen im Punkt Pi gegenüber der Tangente dieses Kreises, durchgehend durch den Punkt selbst;
L = Bogen von ψ eines entsprechenden Kolbens, zwischen P2 und P3 der Weite 2π/N; C = Bogensehne "L", gezogen zwischen P2 und P3; diese Bogensehne ist parallel zur Tangente von ψ durchgehend durch per Pχ; S = Kolbenbreite = Berechnungsbereich des Kolbenprofils = Abstand zwischen zwei Geraden, die zur Einfallge- raden "i" parallel sind und an die Punkte P2 e P3 angewandt sind; s = Phasenverschiebungswinkel: es ist der Einfallswinkel des Kolbens, gemessen gegenüber der Achse X des Bezugssystems XY von ψ; m = Gerade, durchgehend von der Mitte des Rotors durch den Punkt Pi: ß = ist der Winkel zwischen der Geraden Xm" und der Geraden λi": es ist die erste Orthogonale zur Tangente von ψ durchgehend durch Pi, dieser Winkel ist immer = π/2-α
Entwicklung
Das Verhältnis zwischen der Drehung des Motors und der Drehung der Kurbel muss immer gemäß dem folgenden Prinzip verstanden werden:
1:1/N (mit N = gerade Anzahl = 2,4,...), bzw. der Bezug auf die entsprechenden Winkel = π (Kurbelgetriebe) ist: π(ψ)/N
Es bedeutet, dass:
Der Kolben, ausgehend von Pl r vollführt für 0 ≤ φ ≤ π des Kurbelgetriebes, eine Weite in Richtung des Punktes P3 gleich π/N. Die vorangehende Weite, bzw. P2 bis Px, wird ausgeführt, wobei das Kurbelgetriebe - π < φ < 0. Um die Gleichungen zu schreiben wird ein Bezugssystem xy in Betracht gezogen, das an der beschriebenen Bewegung mit dem Kurbelgetriebe festliegt und gegenüber ψ mit der Abszissenachse (Y) "i" (Figur 2) abgewinkelt: es wird die Gleichung als Zusammensetzung von zwei Bewegungen erhalten: eine gleichförmige Bewegung eines Punktes, der auf ψ gemäß den oben angegebenen Kriterien läuft π (Kurbelgetriebe): π(ψ)/N); die Bewegung eines Punktes in der Basis am Kurbelgetriebe . Die Gleichung beschreibt die Abszisse x = R sin(φ/N+ß) - R sin ß (Figur 5)
Die Gleichung, die die Ordinate beschreibt: y = Rcos ß- Rcos (φ/N+ß) +d - r + 1 - /(φ) (Figur 5) wo "1 der Abstand zwischen y und dem Ursprung des Systems xy (bzw., nicht in mathematischen Begriffen, die Länge des Kolbens) und /(φ) die Gleichung des Kurbelgetriebes (bzw. die Kolbenbewegung) . y =
Figure imgf000015_0001
Kurbelgetriebe Die gefundenen Gleichungen funktionieren auch für φ negativ .
d - r + r cosφ - r2sin 2 φ
Figure imgf000015_0002
In den Figuren 6a e 6b ist die Bestimmung der Breite S des Kolbens wiedergegeben und genauer für die Breite des Kolbens mit N > 4 in Figur 6a und für die Breite des Kolbens mit N = 4 = π/2.
Der Winkel zwischen der zur Geraden "i" durch P2 durchgehende Gerade mit der Sehne "C" ist gleich ß
Gleichung der Sehne, die P2 e P3 verbindet: Von der Grafik (Figur 6.a e 6.b) werden die folgenden Beziehungen extrapoliert: fi = R sen (2π/N) f2 = R cos (2π/N) f3 = R - R cos (2π/N) Die Sehne wird somit messen :
C = ]{R - R cos(2τr / N))2 + (Rsin(2π I N))2
die Breite " S " des Kolbens wird ausgedrückt: S = C cos ß
Berechnung des Profils einer Flanke des Drehkolbens:
Das Berechnungsprinzip bezüglich der Kurve des Drehkolbens ist komplexer gegenüber der Berechnung der Kurve des Hubkolbens .
Wie schon erwähnt, ist anzunehmen, dass der Hubkolben ausgehend von einem bestimmten Punkt seiner Bewegung sich so verhält, dass die eigene Kurve beginnt die Form des Drehkolbens zu bilden. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache, kann die Berechnung des Profils des Drehkolbens als ein Problem als eines "Minimums" ausgedrückt werden. Folgt man dieser Berechnungshypothese, so kommt man zu einer nicht ausdrückbaren Gleichung.
Der zur Bestimmung der Koordinaten gewählte Weg zur Steuerung der numerisch gesteuerten Maschinen war nun jener, um unter trigonometrischen Ausdrücken alle Passagen zu beschreiben, die in geometrischen Ausdrücken während der Erstellung der Zeichnung erfolgte.
Die notwendigen mathematischen Bestandteile für die Be- rechnung sind wie folgt: a) Das umgekehrte Kurbelgetriebe = f (ε) . Während das Kurbelgetriebe die Verschiebung des Endes der Pleuelstange beim Ändern des Winkels φ berechnet, liefert das umgekehrte Kurbelgetriebe die Verschiebung des Endes der Pleuelstange mit Änderung des Winkels π -φ= ε.
b) der Abstand "e": Abstand zwischen dem Ursprung des Bezugssystems des Rotors "XY" von den verschiedenen Punkten der Kurve des Hubkolbens, berechnet beim Fortfahren des Winkels φ, verschoben in Bewegungsrichtung des Hubkolbens mit einem Abstand gleich dem erwähnten "umgekehrten Kurbelgetriebe" f (ε ) . Das Segment zwischen dem Ursprung XY und jedem Punkt des Kolbens wird "E" genannt.
c) die neuen Koordinaten des äußersten Punktes des Segmentes "E" der Länge "e", berechnet unter Anwendung einer Drehung gleich π/N. Um dies auszuführen, ist es notwendig, den Winkel η zwischen der Geraden "E" und der Geraden zu berechnen, die durch den Ursprung des zur Geraden "i" parallelen Systems durchgeht.
P.S.: Dazu wird auf das Bezugssystem XY ein weiteres Be- zugssystem, genannt X'Y' zentriert, das gegenüber dem ersten um einen Winkel gleich "s" gedreht ist.
a) das umgekehrte Kurbelgetriebe wird berechnet ausgehend vom Kurbelgetriebe f(φ), unter Berücksichtigung dass der Winkel ε = π - φ (siehe Figur 7) ist.
In Erinnerung dass f(φ) = -rcosφ + sJd2 -r2 sin2 φ
wird auf ähnliche Weise sich ergeben:
f(ε)
Figure imgf000018_0001
-r
b) Bestimmung der Koordinaten des äußersten Punktes des Segmentes "E" mit Ursprung in XY und Berechnung der Länge "e" der geraden "E".
Die Koordinaten des Punktes "E" betragen (siehe Figur 8) :
X' = Rcosß-(f(φ)+f(ε))
Y' = Rsin(φ/N+ß)
Die Länge "e" der Geraden "E" beträgt daher: e = ^(Rcosß-{f(φ) + f(ε)))2 +(Rsm{φ/N + ß))2
c) Berechnung der Kurve des Rotors
Die erste Passage sieht die Berechnung des Winkels η zwischen "E" e X' vor.
Gegeben durch e sen η = R sin(φ/N+ß) Figur
kann der Winkel wie folgt ausgedrückt werden:
η = αrcsen Figur 8
Figure imgf000019_0001
Wird auf dem Segment "E" der Länge "e" eine Drehung gleich φ/N angewandt, ergeben sich die Koordinaten der Punkte des Rotorenteils entsprechend dem Kolben unter Berücksichtigung, dass gegenüber dem Bezugssystem X'Y' sind:
X' = e COS (η + φ/N) Figur Y'= esin(η + π/N -(π/N-/N)) Figur
Die Kurve des Rotorenteils von Interesse entspricht dem Kurventeil bei dem die folgende Bedingung gilt:
e < R
Zusammenfassend ist die Gleichung des Rotors von Interesse wie folgend festgelegt:
Figure imgf000019_0002
Die Punkte der Kurvensegmente für e > R werden ausgeschlossen.
In expliziter Form hat die Kurve die Gleichung Y' = X' tg ( η+ φ/N)
Funktionsschema al Strömungsmaschine mit überlagerter Steuerung (2-taktsystem) :
a. die zwei Phasen: ähnlich den herkömmlichen 2- Taktmotoren, ist auch in diesen System der Kreislauf in die üblichen Fasen eines 2-taktmotores unterteilt: 1.2. 1.1. Ansaugung durch Ansaugungsschlitz für die Luft-Treibstoffmischung jedoch ohne Beimischung von Schmierölen weder durch Zufuhr der Mischung vom Kurbelwellengehäuse) Verdichtung oder Kompression (Verkleinerung des Volumens mit geschlossenen Schlitzen) 2.1. Zündung mit Explosion (Erweiterung des Volumens durch Explosion mit Energieerzeugung) 2.2. Entladung durch die Auslassschlitze dank der Auslassgasbeschleunigung, die vom Auspuffrohrgefäß erwirkt wird. Es ist allerdings möglich mit diesem System durch die Einlassschlitze nur Frischluft einfliesen zu lassen und die möglichen Treibstoffe durch Direkteinspritzung in die Brennkammer beizumischen. Diese Lösungen sind in herkömmlichen 2-Taktmotoren bekannt und in unserem System übertragbar. Es ist allerdings mit diesem System möglich, durch die Einlassschlitze nur Frischluft einfliesen zu lassen und die verschiedenen Treibstoffe durch Direkteinspritzung in die Brennkammer beizumischen. Diese Lösungen sind in herkömmlichen 2-Taktmotoren bekannt und in unserem System übertragbar.
Entzündung: Zum Unterschied zum 4-Taktsystems ist in dieser Strömungsmaschine in jedem Einfallspunkt der Seiten- flanken der Bewegungskammer ded Hubkolben eine entsprechende Zündkerze eingebaut: bei einem 4-Kolbensystemes sind, also vier Zündkerzen notwendig (Zündkerzenanzahl = Anzahl der Drehkolbenseiten) .
P.S.: Die Zündkerzen sind notwendig sofern Treibstoff verwendet wird, dass gezündet werden muss; Diesel ist für diese Lösung nicht geeignet da die notwendige Verdichtung kaum zu erreichen ist. Allerdings kann mit dem Konzept der Strömungsmaschine Lösungen angestrebt werden, die die Selbstzündung der Treibstoffe zum Vorteil nutzen kann: Mit Gastreibstoffe kann es möglich werden sehr geringe Emissionen zu erreichen. Es können herkömmliche Düsen, bzw. Zündkerzen verwendet.
Zeitliche Folge der Zündungen:
Im Explosionsmotor mit Hubkolben im Verlauf eines Zweiphasenkreislaufes eines Kolbens, daher einer einzigen Zündung, führt die Kurbelwelle eine Drehung aus. Im Herkömmlichen Alternativkolbenmotor sind für ein 2- Taktzyklus mit einer Zündung eines Kolbens eine Umdrehung der Excenter- bzw. Kurbelwelle notwendig.
Beim Wankelmotor bei jeder vollständigen Umdrehung des
Rotors, führt die Exzenterwelle drei vollständige Drehungen aus. Während jeder vollständigen Drehung des Rotors werden drei vollständige vierphasige Kreisläufe mit drei Zündungen ausgeführt. Drei Zündungen führen daher drei Umdrehungen der Exzenterwelle aus.
In der vorliegenden Erfindung mit der Variante al Strömungsmaschine mit 2-Takt Arbeitsphase arbeiten die Zünd- kerzen gleichzeitig: daher, mit vier Hubkolben, arbeiten gleichzeitig vier Zündkerzen. Während einer vollständigen Umdrehung des Rotors arbeiten die Zündkerzen viermal: insgesamt 4 Kerzen * 4 = 16 Zündungen für jede vollstän- dige Drehung.
Der Motorenteil der vorliegenden Erfindung, vergleichbar mit dem Wankelmotor, verbessert das Verhältnis zwischen den Zündungen und der Drehung mit der Antriebswelle zu 1:1 (1 Zündung/Explosion jeder Drehung der Antriebswelle) bis 16:1 (8 Zündungen/Explosionen jeder Drehung der Motorwelle/Rotor) : die Wirksamkeit des Motors wird erheblich erhöht.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Übertragung der Energie unmittelbar, da die Motorenwelle am Rotor festliegt; beim Wankelmotor erfolgt die Energieübertragung über Reibungen zwischen Rotor und der Exzenterwelle. In der vorliegenden Erfindung ist jede Drehung der Kurbel- wellen der Hubkolben an eine Zündung gebunden; die Arbeit aller vier im Motor (wenn mit vier Kolben) anwesenden Zündkerzen erlaubt gleichzeitig alle 4 Kolben des Systems zu bewegen sowie gleichmäßig zu belasten.
Der Teil der vorliegenden Erfindung, der mit einem herkömmlichen Hubkolbenmotor vergleichbar ist, erlaubt fast die Wirksamkeit zu verdoppeln.
Die Kombination der beiden genannten Systeme (Drehkolben und Hubkolben) , die in der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird, erlaubt eine schlüssigere und gleichmäßigere Fließweise des gesamten Antriebssystems. Funktionsschema mit 4-taktsystem :
a. die vier Phasen: ähnlich den herkömmlichen Motoren, auch in diesem System ist der Kreislauf in die folgen- den vier Phasen unterteilt: 1. Ansaugen (Expansion des Volumens mit offenen Einlassventilen der Mischung) 2. Kompression (Verkleinerung des Volumens mit geschlossenen Ventilen) 3. Zündung mit Explosion (Explosion des Volumens mit Bewegungsenergieerzeugung) 4. Entladung (Verkleinerung des Volumens mit offenen Ablassventilen) . das Ventilsystem ist in den Rotor eingebracht; Ansau- gen und Ausstoßen der Abgase erfolgen über ein System der Sammelkanäle, das in den Rotor eingebracht (gefräst) ist.
b. Injektion: sollte man kein System mit direkter Injek- tion wählen, ist dies die geeignetste Lösung für die vorliegende Erfindung. Innerhalb des axial zum Rotor angeordneten Lufteinlasskanals kann eine zweckmäßig ausgebildete Einspritzdüse eingebracht sein.
c. Entzündung: im Einfallpunkt der Seitenflanken der Bewegungskammer des Hubkolbens wird für jedes Paar von Kolben eine Zündkerze (32) eingebracht: In einem System mit vier Kolben sind zwei Zündkerzen erforderlich (Anzahl der Zündkerzen = Anzahl der Rotorflanken / 2) .
P.S.: Die Zündkerzen sind im Falle von Kraftstoffen notwendig, die die durch Funken geleitete Zündung benötigen; im Fall von diesen können Einspritzdüsen verwendet wer- den, ähnlich jenen der bekannten Einspritzdüsen Common Rail, die den Platz der Zündkerzen einnehmen.
Mit geringen Adaptierungen können herkömmliche Zündker- zen bzw. Industrieeinspritzdüsen verwendet werden. In diesem Falle wird die Kompression vermindert. Ansonsten müssen für diesen Motor Bestandteile entwickelt werden, wie Einspritzdüsen oder Zündkerzen.
Zeitliche Folge der Zündungen:
Im Explosionsmotor mit Hubkolben im Verlauf eines Vierphasenkreislaufes eines Kolbens, daher einer einzigen Zündung, führt die Kurbelwelle zwei Drehungen aus.
Beim Wankelmotor bei jeder vollständigen Umdrehung des Rotors, führt die Exzenterwelle drei vollständige Drehungen aus. Während jeder vollständigen Drehung des Rotors werden drei vollständige vierphasige Kreisläufe mit drei Zündungen ausgeführt. Drei Zündungen führen daher drei Umdrehungen der Exzenterwelle aus .
In der vorliegenden Erfindung arbeiten die Zündkerzen gleichzeitig: daher, mit vier Hubkolben, arbeiten gleich- zeitig zwei Zündkerzen. Während einer vollständigen Umdrehung des Rotors arbeiten die Zündkerzen viermal: insgesamt zwei sind Kerzen * 4 = 8 für jede vollständige Drehung.
Der Motorenteil der vorliegenden Erfindung, vergleichbar mit dem Wankelmotor, verbessert das Verhältnis zwischen den Zündungen und der Drehung mit der Antriebswelle zu 1:1 (1 Zündung/Explosion jeder Drehung der Antriebswelle) bis 8:1 (8 Zündungen/Explosionen jeder Drehung der Motorwelle/Rotor) : die Wirksamkeit des Motors wird erheblich erhöht mindestens vervierfacht.
In der vorliegenden Erfindung erfolgt die Übertragung der Energie unmittelbar, da die Motorenwelle am Rotor festliegt; beim Wankelmotor erfolgt die Energieübertragung über Reibungen zwischen Rotor und der Exzenterwelle. In der vorliegenden Erfindung ist jede Drehung der Kurbel- wellen der Hubkolben an eine Zündung gebunden; die Arbeit der beiden im Motor (wenn mit vier Kolben) anwesenden Zündkerzen erlaubt gleichzeitig alle 4 Kolben des Systems zu bewegen.
Der Teil der vorliegenden Erfindung, der mit einem herkömmlichen Hubkolbenmotor vergleichbar ist, erlaubt fast die Wirksamkeit zu verdoppeln. Obwohl in der vorliegenden Erfindung der vierphasige Kreislauf beitragen wird, ist das kinematische und thermische Verhalten vergleichbar mit jenem eines zweiphasigen Motors.
Die Kombination der beiden genannten Systeme (Drehkolben und Hubkolben) , die in der vorliegenden Erfindung verwirklicht wird, erlaubt eine schlüssigere und gleichmäßi- gere Fließweise des gesamten Antriebssystems.
Abschließende Betrachtungen
In der vorliegenden Beschreibung wurden summarisch die technischen Prinzipien des Hub-Drehkolbenmotors beschrieben. Insbesondere wurde die Erfindung eines neuen Motor- kinematismus beschrieben, einen höheren Wirkungsgrad gegenüber den herkömmlichen Motor verwirklicht und durch eine konstruktive Vereinfachung der einzelnen, das System zusammensetzende Teile gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Einzelheiten des erfindungsgemäßen Motors gehen aus den Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten, in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels hervor. Es zeigen,
Figur 9 einen Querschnitt in einer die Drehachse eines erfindungsgemäßen Motors enthaltenen Ebene in einer ersten Ausführungsform als Viertraktmotor,
Figur 10 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Motors wie Figur 9,
Figur 11 ein Schaubild des erfindungsgemäßen Motors mit teilweise ausgelassenen Einzelheiten am Drehkolben,
Figur 12 eine Ansicht wie Figur 11, jedoch ohne unteren Zahnkranz,
Figur 13 eine Ansicht wie Figur 11 und 12, jedoch nur mit den Ventilkörpern,
Figur 13a ein Schaubild der Ventilkörper und der seitlichen Buchsen der Kolben,
Figur 14 eine Ansicht wie Figur 11 bis 13, jedoch außerhalb der Verbrennungskammer des Motors, und Figur 15 ein Schaubild eines Hubkolbens,
Figur 16 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen Hub- /Drehkolbenmotors in einer zweiten Ausführungsform als Zweitaktmotor, und
Figur 17 Querschnitte längs der Schnittlinie XVI-XVI aus Figur 16, in den Positionen 17a, 17b, 17c und 17d, wobei die Querschnitte der Positionen b) , c) und d) verkleinert dargestellt sind.
In Figur 9 ist mit der Bezugsziffer 1 in seiner Gesamt- heit ein erfindungsgemäßer Hub-/Drehkolbenmotor angegeben. Er umfasst ein Gehäuse 2 und einen Rotor 3, der über Lager 4 und 5 in dem Gehäuse 2 aufgenommen ist. Die Lager werden im vorliegenden Fall aus Kegelrollenlagern gebildet.
Im Körper 2 sind Räume 6, 7, 8 und 9 (Figur 10) gebildet, die jeweils einen Überzug 10 aufweisen. Jeder Raum ist mit seiner Hauptachse senkrecht zum anliegenden Raum angeordnet und zueinander gegenüberliegende Räume weisen zueinander parallel versetzte Achsen auf.
In den Räumen 6, 7, 8 und 9 läuft jeweils ein Kolbe 11, 12, 13 und 14. Jeder Kolben ist an einer Pleuelstange 15 angelenkt, die ihrerseits an jeweils einer Kurbelwelle 16 angelenkt ist. Die Kurbelwellen 16 sind in Lagern 17 und 18 außerhalb der Räume 6, 7, 8 und jeweils 9 drehbar in einem Ring des Gehäuses 2 drehbar angeordnet, der in seinen, die Lager 17 und 18 tragenden Ansätze 19 und 20 schematisch dargestellt ist. Das Gehäuse 2 ist außen durch jeweils einen Deckel 21 und 22 geschlossen, der Schmiermittel aufnimmt und so als Ölwanne wirkt.
Jeder Raum 6, 7, 8, und 9 ist seitlich senkrecht zur Drehachse des Rotors 3 durch jeweils einen Zahnkranz 23 und 24 geschlossen. Zwischen den beiden Zahnkränzen 23 und 24 ist ein zu demselben festliegender Drehkolben 25 gebildet. Mit jedem Zahnkranz 23 und 24 kämmt jeweils ein Zahnrad 26 und 27. Die Zahnräder 26 und 27 sind an den
Kurbelwellen 16 aufgezogen. Jede Kurbelwelle 16 erstreckt sich nach außen, wobei außerhalb des Körpers 2 ein Abtrieb 28 gebildet wird.
Jeder Hubkolben 11, 12, 13 und 14 weist eine aktive Fläche 29 auf, die mit einer aktiven Fläche 30 des Drehkolbens eine Kammer 31 bildet. Die aktiven Flächen 29 und 30 weisen seitlich ein klar festgelegtes Profil fest, sowie vorstehend unter Bezugnahme auf Figur 1 bis 8 berechnet. Auf jedem zwischen zwei anliegenden Räumen gebildeten
Scheiteln ist in der zwischen den aktiven Flächen gebildeten Kammern jeweils eine Zündkerze 32 und 33 entzündbar.
Der Drehkolben 25 weist innen einen Hohlraum 34 auf, der mit einer durch eine axialen im Deckel 21 eingebrachten Buchse 36 getragene Einspritzdüse 35 und mit einem Flügelrad 37 verbunden, das als Turborad so wie nachstehend erläutert wirkt.
Zweckmäßiger Weise weist das Gehäuse 2 außerhalb der Räume 6, 7, 8 und 9 Rippen 38 und zwischen den festen Wänden der Räume Kammern 39 für eine Wasserkühlung auf. Wie bes- ser in Figur 11 dargestellt, weist der Drehkolben 25 vier Scheitel 40, 41, 42, und 43 auf, zwischen denen jeweils eine aktive Fläche 29 gebildet ist. Der Hohlraum 34 ist einerseits über einen Kanal 44 mit dem Flügelrad 37 ver- bunden, für die Luftzufuhr in Richtung des Pfeils 45 und über eine Öffnung 46 mit der Kammer 31. Jede Öffnung 26 ist über einen Ventilkörper 47 öffnungs- und schließbar, der an seinen axialen Enden mit jeweils einen Bolzen 48 (Figur 9) versehen ist, der jeweils den Zahnkranz 23 und 24 durchquert um in jeweils einer Kulissenführung 49 in Eingriff zu kommen, die seitens des Zahnkranzes 23 im Boden der Buchse 36 und seitens des Zahnkranzes 24 im Boden einer nicht weiter angegebenen Buchse ausgenommen ist.
Wie besser in Figur 13 dargestellt ist in jeder aktiven Fläche ein Auslass 50 vorgesehen, der über einen Kanal 51 mit einem Flügelrad 37 vorgesehenen Ausgang gemäß dem Pfeil 52 verbunden ist. Der Auslass 50 ist öffnungs- und schließbar mittels eines Schiebers 53, der mit zwei Bü- geln 54 mit Kappe 55" versehen ist. Die Kappe 55 und ein entsprechendes, nicht dargestelltes Element am anderen Ende des Schiebers gleiten in entsprechende Führungen 56, die zwischen der Büchse 36 und jener nicht angegebenen und den Deckel 21 bzw. 22 an toroidförmigen Nocken 57 ge- bildet sind, um den Bügel in eine Durchtrittsposition für den Auslass von Abgasen zu bringen.
Wie in Figur 11 und 14 dargestellt, ist in jedem Zahnkranz eine Vielzahl von Durchgängen 58 und eine Vielzahl von Vertiefungen 59 längs eines radialen Bandes des Zahnkranzes selbst vorgesehen, um so die Hubkolben mit Schmiermittel zu speisen und im oberen Bereich die Kammer 31, während die Vertiefungen 59 für den Ölvorrat für die Schmierung dienen.
An den Außenflächen der Zahnkränze sind überdies Abweiser 60 vorgesehen, die unten in Drehrichtung des Motors derart geneigt sind, um eine angemessene Lüftung und daher Kühlung der oberen und unteren Seite der Kammer (23 und 24) sicherzustellen.
In einer Aufnahme des Gehäuses 62, außerhalb der Zahnkränze 23 und 24, kann z.B. ein Wechselstromgenerator, bekannter Art und nicht gezeigt, aufgenommen werden, der mit einem Zahnrad im entsprechenden Zahnkranz 23 oder 24 kämmt .
In Figur 16 und 17 ist ein erfindungsgemäßer Hub- /Drehkolben otor 100 als Zweitaktmotor dargestellt
Das Prinzip ist ähnlich wie bei den herkömmlichen 2- Taktmotoren. Somit sind auch in diesem System die zwei üblichen 2 Fasen eines 2-Taktmotores möglich: Die Ansaugung erfolgt durch Ansaugungsschlitze 101 für die Luft-Treibstoffmischung jedoch ohne Beimischung von Schmierölen weder durch Zufuhr der Mischung vom Kurbel- wellengehäuse.
Die Verdichtung (Volumen Reduktion) erfolgt mit geschlossenen Schlitzen.
Daraufhin erfolgt die Zündung über Zündkerzen 102 mit Explosion (Volumen Expansion mit Energieerzeugung) . Die Ausstoßung erfolgt durch die Auslassschlitze 103 dank der Abgasbeschleunigung, die vom Auspuffrohrgefäß erwirkt wird. Es ist allerdings möglich mit diesem System durch die Einlassschlitze nur Frischluft einfliesen zu lassen und die möglichen Treibstoffe durch Direkteinspritzung in die Brennkammer beizumischen. Diese Lösungen sind in herkömmlichen 2-Taktmotoren bekannt und in unserem System über- tragbar.
Zündung: Im Gegensatz zum 4-Taktsystems ist in dieser Strömungsmaschine in jeder Spitze des Winkels zwischen den Seitenwänden 104 der Hubkolben die entsprechende Zündkerze 102 eingebaut: bei einem 4-Kolbensystem sind, also vier Zündkerzen 102 notwendig (Zündkerzenanzahl = Anzahl der Drehkolbenseiten) .
Die Zündkerzen sind notwendig, sofern Treibstoff verwen- det wird, dass gezündet werden muss; Diesel ist für diese Lösung nicht geeignet da die notwendige Verdichtung kaum zu erreichen ist. Allerdings kann mit dem Konzept der Strömungsmaschine Lösungen angestrebt werden, die die Selbstzündung der Treibstoffe zum Vorteil nutzen kann: Mit Gastreibstoffe kann es möglich werden sehr geringe • Emissionen zu erreichen.
Es können herkömmliche Düsen, bzw. Zündkerzen verwendet werden.
Es wurde zwar ein Hub-/Drehkolbenmotor als Explosionsmotor beschrieben. Es liegt jedoch nahe, dass der erfin- dungsgemäße Hub-/Drehkolbenmotor als beliebige Strömungsmaschine Verendung finden kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Hub-/Drehkolbenmotor, umfassend ein Gehäuse, in dem ein Rotor drehbar aufgenommen und eine Vielzahl von Räumen ausgenommen ist, in welchen die Kolben auf- und ablaufen, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor durch einen Drehkolben (25) gebildet ist, der eine Vielzahl von aktiven Flächen zwischen seinen Scheiteln (zwei, vier, sechs, ..., n aktive Flächen), die der Anzahl von Hubkolben entspricht und mit entsprechenden aktiven Flächen der Hubkolben mit wechselweise verbindbaren Kammern mit einer Kraftstoffspeisung, einer Vergasung und einem Abgasauslass .
2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile der aktiven Flächen des Drehkolbens und der Hubkolben durch folgende Gleichungen eindeutig bestimmt sind: xy = Bezugssystem mit Ursprung in der Drehmitte der Kurbel (Drehachse der Kurbelwelle (16) ) r = Kurbellänge (Radius zwischen Drehachse von 16 und der entsprechenden Kurbel) d = Pleuelstangenlänge (15) φ = Winkel der Kurbel gegenüber der Bezugsachse (ausgedrückt in Radianten) ψ = Kreis, der den Rotor (3) umschreibt;
X Y = das Bezugssystem, auf das ψ zentriert wird, d.h. der Rotor; R = Radius des Kreises ψ; N = Anzahl der Rotorflanken = Anzahl der Kurbelgetriebe = Anzahl der Unterteilungen des Kreises ψ; i = Einfallsgerade des Kolbens, die am mittleren Punkt des entsprechenden Bogens angewandt ist;
Pi = bezeichnet den Einfallpunkt der Geraden "i" am Kreis ψ; P3 = bezeichnet das Ende des ersten Bogens von ψ des entsprechenden Kolbens; α = Einfallwinkel des Kolbens gemessen im Punkt Pi gegenüber der Tangente dieses Kreises, durchgehend durch den Punkt selbst; L = Bogen von ψ eines entsprechenden Kolbens, zwischen P2 und P3 der Weite 2π/N; C = Bogensehne "L", gezogen zwischen P2 und P ; diese Bogensehne ist parallel zur Tangente von ψ durchgehend durch per P1; S = Kolbenbreite = Berechnungsbereich des Kolbenprofils = Abstand zwischen zwei Geraden, die zur Einfallgeraden "i" parallel sind und an die Punkte P2 e P3 angewandt sind; s = Phasenverschiebungswinkel: es ist der Einfallswinkel des Kolbens, gemessen gegenüber der Achse X des Bezugssystems XY von ψ; m = Gerade, durchgehend von der Mitte des Rotors durch den Punkt Px : ß = ist der Winkel zwischen der Geraden "m" und der Geraden "i": es ist die erste Orthogonale zur Tangente von ψ durchgehend durch Pi, dieser Winkel ist immer = π/2- X'Y'= weiteres Bezugssystem zentriert auf das Bezugssystem XY, jedoch gegenüber diesem um den Winkel gleich "s" gedreht, wobei das Profil der aktiven Flanke des Hubkolbens in der folgenden Parameterform ist x= R (sen(φ/N + ß)-senß) y = R (cosß - cos(ß/N + ß)) + d - r + r cosφ - | d 2 r 2sin 2 φ
3. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) vier Räume (6, 7, 8 und 9) gebildet sind, wobei jeder Raum mit seiner Hauptachse senkrecht zum anliegenden Raum angeordnet ist und zu- einander gegenüberliegende Räume untereinander parallel versetzte Achsen aufweisen, wobei Innenräume (6, 7, 8 und 9) jeweils ein Kolben (11, 12, 13 und 14) läuft, wobei jeder Kolben an einer Pleuelstange (15) angelenkt ist, die ihrerseits an jeweils einer Kur- belwelle (16) angelenkt ist, wobei die Kurbelwellen (16) in Lagern (17 und 18) außerhalb der Räume (6, 7, 8 bzw. 9) in einem Ring des Gehäuses (2) drehbar angeordnet sind.
4. Motor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) außen durch jeweils einen Deckel (21, 22) geschlossen ist, der Schmiermittel aufnimmt, wo- bei er so als Ölwanne dient.
5. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Raum (6, 7, 8 und 9) seitlich, senkrecht zur Drehachse des Rotors (3) durch jeweils einen Zahnkranz (23, 24) geschlossen ist, zwischen den Zahnkränzen (23 und 24) der an diesen festliegende Drehkolben (25) gebildet ist, wobei mit jedem Zahnkranz (23 und 24) jeweils ein Zahnrad (26 und 27), kämmt, die auf den Kurbelwellen (16) aufgezogen sind und mit Abtrieben (28) versehen sind.
6. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hubkolben (11, 12, 13 und 14) eine aktive Fläche (29) aufweist, die mit den aktiven Flächen (30) des Drehkolbens (11, 12, 13 bzw. 14) die Kammer (31) bildet.
7. Motor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (25) innen einen Hohlraum (34) zur Verbindung mit einer Einspritzdüse (35) aufweist.
8. Motor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (34) einerseits über einen Kanal (44) mit einer Luftansaugung (37) und über eine Öffnung (26) mit der Kammer (31) verbunden ist, wobei jede Öffnung (26) durch einen Ventilkörper (47) öffnungs- und schließbar ist, wobei ein Ablass (50) zur Verbindung über einen Kanal (51) mit einem Ausgang vorgese- hen ist, wobei der Ablass (50) mittels eines Schiebers öffnungs- und schließbar ist.
9. Motor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (47) an seinen axialen Enden mit jeweils einem Bolzen (48) versehen ist, der jeweils den Zahnkranz (23 und 24) durchquert, um in jeweils einer Kulissenführung (49) in Eingriff zu kommen, die seitens des Zahnkranzes (23) im Boden einer Buchse (36) und seitens des Zahnkranzes (24) im Boden einer weiteren Buchse ausgenommen ist.
10. Motor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeden Scheitel zwischen zwei anliegenden Räumen in der zwischen den beiden aktiven Flächen gebildeten Kammer jeweils eine Zündkerze und wechselweise zur Einspritzdüse (35) , Einspritzdüsen für die direkte Einspritzung (32 und 33) einsetzbar sind.
11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass, indem die Einspritzdüse nach der Art einer direkten Einspritzung in einer Position ähnlich jener der Kerzen sind, ein weiterer Abtrieb ausgenommen wird, der direkt am Rotor über eine Welle angebracht ist, die axial zum Rotor zentriert ist, der die Buchse (36) anstatt die Einspritzdüse (35) durchquert.
12. Motor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Gehäuse (2) außerhalb der Räume (6, 7, 8 und 9) Rippen (38) und zwischen den festen Enden der Räume Kammern (39) für eine Wasserkühlung aufweist.
13. Motor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Zahnkranz eine Vielzahl von Durchgängen (58) und eine Vielzahl Vertiefungen (59) längs eines radialen Bandes des Zahnkranzes selbst derart vorgesehen ist, dass die Hubkolben mit Schmiermitteln gespeist werden.
14. Motor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch ge- kennzeichnet, dass in einer zum Hauptgehäuse außerhalb der Zahnkränze (23 und 24) anliegenden Position ein Körper (62) angeordnet ist, in dem der elektrische Stromgenerator bekannter Art aufgenommen ist, der mit einem Zahnrad mit dem Zahnkranz (24) kämmt.
15. Motor nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zum Hauptgehäuse außerhalb der Zahnkränze (23, 24) anliegenden Position das Gehäuse (63) angeordnet ist, in dem die Ölpumpe be- kannter Art aufgenommen ist, die mit einem Zahnrad mit dem Zahnkranz (23) kämmt.
16. Motor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Spitze des Winkels zwischen den Seiten- wänden (104) der Hubkolben di entsprechende Zündkerze (102) eingebaut: bei einem 4-Kolbensystem sind, also vier Zündkerzen (102) notwendig (Zündkerzenanzahl = Anzahl der Drehkolbenseiten) , wobei in den Seitenwänden (104) jeweils in Drehrichtung des Drehkolbens (105) gegenüberliegend auf bekannte Art und Weise Einlassschlitze (101) bzw. Auslassschlitze (103) vorgesehen sind.
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