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Die
Erfindung betrifft einen Druckgas-Zylinderläufermotor. Aus
EP 0 477 256 B1 ,
EP 0 656 992 B1 und
DE 25 36 739 A1 sind
als Brennkraftmaschinen ausgebildete Zylinderläufermotoren mit einem an einer
Maschinenbasis um eine erste Drehachse drehbar gelagerten Zylinderläufer bekannt.
Der Zylinderläufer
hat mehrere in gleichen Winkelabständen um die erste Drehachse
herum angeordnete Zylinder, in welchen radial zu der ersten Drehachse
verschiebbare Kolben angeordnet sind. An der Maschinenbasis ist
um eine vorbestimmte Exzentrizität achsparallel
zu der ersten Drehachse versetzt eine um eine zweite Drehachse drehbare
Kurbelwelle gelagert. Die Kurbelwelle hat relativ zu ihr feststehende Exzenterlager,
an welchen die Kolben paarweise über
starre Kolbenstangen geführt
sind. Die Exzenterlager definieren für die Kolbenstangen dritte
Drehachsen, die wiederum um die vorbestimmte Exzentrizität gegen
die zweite Drehachse achsparallel versetzt sind. Dem Zylinderläufer ist
eine Gaswechselsteuerung zugeordnet, die die Zufuhr der Frischgase zu
den Brennräumen
und den Auslass der Abgase steuert.
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Die
aus
EP 0 477 256 B1 bekannte
Brennkraftmaschine hat einen Zylinderläufer mit zum Umfangsmantel
offenen Zylindern, die durch eine Umfangswand der als Gehäuse ausgebildeten
Maschinenbasis abgedichtet verschlossen sind. In der Umfangswand
des Gehäuses
ist im Bereich der oberen Totpunktstellung ein Frischgas-Einlasskanal
und im Bereich der unteren Totpunktstellung ein Abgas-Auslasskanal
vorgesehen. Bei der aus
EP
0 656 992 B1 bekannten Brennkraftmaschine sind auf axial
beiden Seiten des Zylinderläufers
scheibenförmige
Drehschieber angeordnet, von denen einer im Frischgaszuführungsweg
und der andere im Gasauslassweg angeordnet ist. Die Gaswege führen hierbei
in axialer Richtung durch die beiden Drehschieber. Bei der aus
DE 25 36 739 A1 bekannten Brennkraftmaschine führt der
Frischgaseinlassweg über
einen Drehschieber, der von dem stationären, den Zylinderläufer tragenden
Lagerzapfen und einem Lageransatz des Zylinderläufers gebildet ist. Der Frischgaskanal
des Drehschiebers verläuft
in diesem Fall radial von dem Lagerzapfen in den Lageransatz und
mündet
in einem in der unteren Totpunktstellung jeweils von Kolben freigegebenen
Einlassschlitz jedes Zylinders. Den Gasauslässen der Zylinder sind Ventile
zugeordnet, die über
Steuerriemen abhängig
von der Rotation des Zylinderläufers
betätigt
werden.
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Die
Gaswechselsteuerungen der bekannten Brennkraftmaschinen sind vergleichsweise
aufwendig und beanspruchen relativ großen Bauraum. Darüber hinaus
neigen Schieberventile mit axial nebeneinander geordneten, scheibenförmigen Schieberelementen
zu Dichtungsproblemen, da abdichtende Ölfilme und dergleichen bei
Rotation des Zylinderläufers
abgeschleudert werden. Darüber
hinaus müssen die
Schieberscheiben federnd vorgespannt werden.
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Aus
DE 196 11 824 C1 ist
es ferner bekannt, Zylinderläufermotoren
nicht nach Art einer Brennkraftmaschine zu betreiben, sondern mit
Hilfe von Druckgas, welches den Druckräumen der Zylinder des Zylinderläufers über eine
Gaswechselsteuerung zugeführt
wird, wenn sich die Kolben im Bereich ihres oberen Totpunkts befinden.
Das Druckgas entspannt sich im Verlauf der Bewegung der Kolben zum
unteren Totpunkt hin. Bei dem Druckgas handelt es sich um Dampf,
beispielsweise Wasserdampf. Auch bei diesem Zylinderläufermotor
sind axial beiderseits des Zylinderläufers für die Gaswechselsteuerung axial vorgespannte
Drehschieberventile vorgesehen, die den Gaseinlass und den Gasauslass
steuern. Die Drehschieberventile sind hierbei über gesonderte Gaskanäle mit den
Druckräumen
verbunden.
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Unter
einem ersten Aspekt ist es Aufgabe der Erfindung einen Druckgas-Zylinderläufermotor
zu schaffen, der eine einfache und kompakte Gaswechselsteuerung
hat.
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Die
Erfindung geht hierbei aus von einem Druckgas-Zylinderläufermotor,
welcher umfasst:
- – eine Maschinenbasis,
- – einen
relativ zu der Maschinenbasis um eine erste Drehachse drehbar gelagerten
Zylinderläufer
mit mehreren in gleichen Winkelabständen um die erste Drehachse
herum angeordneten Zylindern, in welchen radial zur ersten Drehachse
verschiebbare Kolben angeordnet sind, von denen jeder in dem Zylinder
einen Druckraum nach radial innen begrenzt,
- – eine
relativ zu der Maschinenbasis um eine zweite, um eine vorbestimmte
Exzentrizität achsparallel
zur ersten Drehachse versetzte Drehachse drehbar gelagerte Kurbelwelle,
an deren Exzenterlagern die Kolben vorzugsweise paarweise über Kolbenstangen
geführt
sind, wobei die Exzenterlager relativ zueinander und zu der Kurbelwelle
fest stehende dritte Drehachsen definieren, die um die vorbestimmte
Exzentrizität gegen
die zweite Drehachse achsparallel versetzt sind, und
- – eine
den Druckräumen
im Wesentlichen zeitlich nacheinander unter Überdruck stehendes Gas zuführende und
das Gas nach zumindest teilweiser Entspannung wieder abführende Gaswechselsteuerung.
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Erfindungsgemäß ist bei
einem solchen Zylinderläufermotor
vorgesehen, dass die Gaswechselsteuerung auf axial einer Seite des
Zylinderläufers ein
Drehschieberventil mit einem relativ zur Maschinenbasis stationären Schieberelement
und einem zusammen mit dem Zylinderläufer rotierenden Schieberelement
aufweist, wobei das stationäre
Schieberelement wenigstens eine mit einem Gaseinlass für die Zuführung des
Druckgases verbundene Einlasssteueröffnung und wenigstens eine
mit einem Gasauslass für
entspanntes Gas verbundene Auslasssteueröffnung aufweist und das rotierende
Schieberelement eine Steueröffnung
für jeden
Zylinder aufweist, die über
einen für
den Gaseinlass und den Gasauslass gemeinsamen Gaswechselkanal mit dem
Druckraum des Zylinders verbunden ist.
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Ein
solches Drehschieberventil kommt mit vergleichsweise wenig Bauraum
aus, da nur auf axial einer Seite des Zylinderläufers Schieberelemente vorgesehen
werden müssen
und dementsprechend auch nur auf axial einer Seite Gaswechselkanäle in den
Seitenwänden
des Zylinderläufers
untergebracht werden müssen.
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Zu
kompakten und betriebssicheren Ausgestaltungen gelangt man, wenn
das rotierende Schieberelement das stationäre Schieberelement koaxial umschließt und die über die
Gaswechselkanäle
mit den Druckräumen
verbundenen Steueröffnungen
radial verlaufen. Von Vorteil ist insbesondere, dass die koaxiale
Bauweise das Abschleudern von Dichtungsöl verhindert, so dass das Drehschieberventil
auch ohne federnde Vorspannung der Schieberelemente hinreichend
druckdicht ist. Zweckmäßigerweise
kann das rotierende Schieberelement eine mit den Steueröffnungen
versehene zylindrische Dichthülse
tragen, die aus verschleißminderndem
Material bestehen kann oder/und in gewissem Ausmaß elastisch
sein kann. Insbesondere kann die Dichthülse auch zur Drehlagerung des
Zylinderläufers
ausgenutzt werden, so dass zusätzliche
Drehlager auf der axialen Seite des Drehschieberventils entfallen
können.
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Ein
koaxiales Drehschieberventil der vorstehenden Art lässt sich
relativ einfach im Lagerbereich des Zylinderläufers, d.h. nahe der Kurbelwelle
realisieren, wenn die wenigstens eine Einlasssteueröffnung und
die wenigstens eine Auslasssteueröffnung als am Außenumfang
des stationären
Schieberelements in Umfangsrichtung und im Abstand voneinander sich
erstreckende, mit den Steueröffnungen
des rotierenden Schieberelements kommunizierende Nutabschnitte ausgebildet
sind. Das die Kurbelwelle umschließende Drehschieberventil kann
auf einem verhältnismäßig kleinen
Durchmesser untergebracht werden.
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Bei
Zylinderläufermotoren
der vorstehend erläuterten
Art wird der Gaswechsel abhängig
von der Rotation des Zylinderläufers
gesteuert. Für
den Einlass und den Auslass des Gases steht ein Steuerwinkel von
360° zur
Verfügung,
wobei sich herausgestellt hat, dass ein möglichst großer Auslasswinkel für die Leistungsfähigkeit
des Motors von Vorteil ist. Insbesondere hat sich als zweckmäßig erwiesen,
wenn der Auslasswinkel, d.h. derjenige Winkelbereich der Zylinderläuferdrehung,
in welchem die Druckräume der
Zylinder nacheinander mit dem Gasauslass verbunden sind, in der
Größenordnung
von 180° liegt. Der
Einlasswinkel, d.h. der Winkelbereich, in welchem die Druckräume mit
dem Gaseinlass verbunden sind, liegt zweckmäßigerweise in der Größenordnung
von 90°,
ist also prinzipiell kleiner als der Auslasswinkel.
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Es
hat sich allerdings gezeigt, dass der Einlasswinkel nicht zu stark
verkleinert werden kann, da ansonsten das Drehmoment des Zylinderläufermotors
und insbesondere sein Anlaufdrehmoment soweit abnimmt, dass es zu
Problemen beim Anlaufen des Motors kommen kann.
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Unter
einem zweiten Aspekt ist es Aufgabe der Erfindung für ein sicheres
Anlaufen des Druckgas-Zylinderläufermotors
zu sorgen.
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Ausgehend
von dem vorangegangen erläuterten
Druckgas-Zylinderläufermotor
wird dies dadurch erreicht, dass die Gaswechselsteuerung als Drehschiebersteuerung
mit einem relativ zur Maschinenbasis stationären Schieberelement und einem zusammen
mit dem Zylinderläufer
rotierenden Schieberelement ausgebildet ist, wobei das stationäre Schieberelement
wenigstens zwei in Drehrichtung des rotierenden Schieberelements
gegeneinander versetzte, mit einem Gaseinlass für die Zuführung von Druckgas verbundenen
Einlasssteueröffnungen und
wenigstens eine mit einem Gasauslass für entspanntes Gas verbundene
Auslasssteueröffnung aufweist
und das rotierende Schieberelement eine Steueröffnung für jeden Zylinder aufweist,
die über einen
für den
Gaseinlass und den Gasauslass gemeinsamen Gaswechselkanal mit dem
Druckraum des Zylinders verbunden ist, und dass wenigstens einer
der Einlasssteueröffnungen
ein Steuerventil zugeordnet ist, mittels dem die Zufuhr von Druckgas
unabhängig
von wenigstens einer anderen der Einiasssteueröffnungen steuerbar ist. Die
in der Steuerfolge hintereinander folgenden Einlasssteueröffnungen
erlauben das wahlweise Nachladen des Druckraums mit Druckgas und
damit eine Drehmomentsteuerung insbesondere beim Anlaufen des Motors.
Für das
Anlaufen wird das Druckgas über
beide Einlasssteueröffnungen
zeitlich nacheinander in den Druckraum des Zylinders geladen, während für den Normalbetrieb
des angelaufenen Motors die zweite Einlasssteueröffnung geschlossen werden kann.
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Die
beiden Einlasssteueröffnungen
haben bevorzugt einen Steuerwinkelabstand voneinander, der größer als
der Steuerwinkelabstand zwischen den Steueröffnungen von zwei benachbarten
Zylindern ist. Auf diese Weise wird das Druckgas über die beiden
Einlasssteueröffnungen
den Druckräumen verschiedener
Zylinder gleichzeitig zugeführt.
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Das
den Gaswechsel steuernde Drehschieberventil kann herkömmlich ausgebildet
sein und insbesondere auch wie vorangegangen erläutert zueinander koaxiale Schieberelemente
mit radialen Druckgaswegen haben. In einer Variante kann das rotierende
Schieberelement jedoch auch an einer die Druckräume radial abschließenden,
die gemeinsamen Gaswechselkanäle
enthaltenden Umfangswand des Zylinderläufers ausgebildet sein, wobei
dann die Maschinenbasis als den Zylinderläufer umschließendes Gehäuse ausgebildet
ist, dessen der Umfangswand des Zylinderläufers gegenüberliegende Umfangswand die
Einlasssteueröffnungen
sowie die wenigstens eine Auslasssteueröffnung des stationären Schieberelements
enthält.
Auch in dieser Ausgestaltung liegen die Steueröffnungen in radial verlaufenden
Gaswegen von zylindrischen Umfangsflächen, womit sie sich vergleichsweise
einfach abdichten lassen. Insbesondere kann zur Abdichtung auch
ein Schmiermittelfilm ausgenutzt werden, da das Schmiermittel nicht
abgeschleudert wird.
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Die
Gaswechselkanäle
verlaufen in der Umfangswand des Zylinderläufers in Umfangsrichtung im
Wesentlichen schräg
und münden,
bezogen auf die Steueröffnung,
in Drehrichtung voreilend in den Druckraum. Die sich auf diese Weise
beim Laden der Druckräume
mit Druckgas ergebende Turbinenwirkung erhöht die Motorleistung.
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Ohne
zusätzliche
Maßnahmen
wird der Zylinderläufer
durch den Schub angetrieben, den die Kolben in Umfangsrichtung auf
die Zylinder ausüben. Die
Schubkräfte
erhöhen
die Reibung der Kolben in den Zylindern, was die Leistung des Motors
mindert und den Verschleiß erhöht. Um die
Kolbenreibung zu mindern, ist es aus
DE 25 36 739 A bekannt, den Zylinderläufer über ein
Zahnradgetriebe mit der Kurbelwelle drehfest zu kuppeln, welches
die Zylinder von Schubkräften
der Kolben entlastet. Das Getriebe des bekannten Motors ist vergleichsweise
aufwendig gestaltet, denn das auf der Kurbelwelle sitzende Stirnrad
kämmt mit
einem Hohlrad des Zylinderläufers.
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Zu
kostengünstigeren
Lösungen
auf der Basis von ausschließlich
Stirnzahnrädern
gelangt man, wenn das Stirnradgetriebe ein drehfest auf der Kurbelwelle
sitzendes erstes Stirnrad sowie ein die Kurbelwelle umschließendes,
mit dem Zylinderläufer drehfest
koaxial verbundenes zweites Stirnrad aufweist, wobei an der Maschinenbasis
ein mit dem ersten Stirnrad kämmendes
drittes Stirnrad achsparallel drehbar gelagert ist, welches mit
einem mit dem zweiten Stirnrad kämmenden
vierten Stirnrad drehfest verbunden ist. Ein solches Getriebe kann
ohne Weiteres der Leistung des Motors angepasst werden, nachdem
es axial seitlich des Zylinderläufers
angebaut werden kann und in diesem Bereich hinreichend Platz auch
für Zahnräder mit
größerem Durchmesser vorhanden
ist.
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Bei
Motoren der vorstehend erläuterten
Art rotiert der Zylinderläufer
mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle. Die Aufteilung des Übersetzungsverhältnisses
von 2:1 auf die beiden Stirnradpaare kann an sich frei gewählt werden,
doch hat es sich aus Gründen
der Standardisierung der Zahnradgrößen als günstig erwiesen, wenn das Verhältnis der
Teilkreisdurchmesser des ersten zum dritten Stirnrad gleich 1:1
und des zweiten zum vierten Stirnrad gleich 2:1 gewählt ist.
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Die
Kolben herkömmlicher
Zylinderläufermotoren
sind üblicherweise
als zur Kurbelwelle hin offene Töpfe
ausgebildet, in welchen sich von den Zylinderwänden abgestreiftes Schmieröl sammeln
kann, was unter Umständen
die Kolbenschmierung beeinträchtigt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung hat der Kolben einen insgesamt
im Wesentlichen flachen Kolbenboden, auf dem eventuell sich sammelndes Schmieröl zur Zylinderwand
hin abfließen
kann. Der Kolben ist hierbei bevorzugt als Hohlkolben ausgebildet,
dessen Hohlraum durch eine Umfangswand, ein Kolbendach und einen
Kolbenboden abgeschlossen ist. Ein solcher Kolben isoliert die Kurbelwellenseite thermisch
von der Druckraumseite.
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Üblicherweise
ist der Kolben an der ihm zugeordneten Kolbenstange mit einer einzigen,
zentralen Schraube angeschraubt. Eine solche Schraube bedingt einen
hinreichend großen
Materialquerschnitt im Bereich der Kolbenstange, um hinreichend stark
dimensioniert werden zu können.
Als günstiger hat
es sich erwiesen, wenn zumindest eine Teilanzahl der Kolbenstangen
gegen die Zylindermitte versetzt ist und an ihrem kolbenseitigen
Ende einen quer abstehenden Arm tragen, an dem der Kolben mittels mehrerer,
beispielsweise zwei Schrauben angeschraubt ist. Auf diese Weise
können
die einzelnen Schrauben kleiner dimensioniert werden und dementsprechend
kann auch der Armquerschnitt geringer bemessen sein.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Hierbei
zeigt:
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1 einen
Axialquerschnitt durch einen vierzylindrigen Druckgas-Zylinderläufermotor;
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2 einen
Axiallängsschnitt
durch den Zylinderläufermotor
der 1;
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3 einen
Axiallängsschnitt
durch eine Variante des Druckgas-Zylinderläufermotors
mit sechs Zylindern;
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4 einen
Axialquerschnitt durch den Zylinderläufermotor, gesehen entlang
einer Linie IV-IV in 3 und
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5 einen
Querschnitt durch eine Variante eines in den Zylinderläufermotoren
der 1 bis 4 verwendbaren Kolbens.
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Der
in den 1 und 2 dargestellte Druckgas-Zylinderläufermotor
umfasst ein als Maschinenbasis dienendes Gehäuse 1 mit einem im Wesentlichen
zylinderförmigen
Innenraum 3, in welchem ein ebenfalls im Wesentlichen zyllindrischer Zylinderläufer 5 um
eine Drehachse 7 drehbar angeordnet ist. Der Zylinderläufer 5 hat
eine zur Drehachse 7 konzentrische, zumindest angenähert zylindrische
Umfangswand 9, die von dem Innenraum 3 eng umschlossen
ist, und ist über
Wälzlager 11 an
Lageransätzen 13, 15 des
Gehäuses 1 gelagert.
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Der
Zylinderläufer 5 umfasst
vier Zylinder 17, in welchen je ein Kolben 19 senkrecht
zur Drehachse 7 verschiebbar angeordnet ist. Die Zylinder 17 bzw. Kolben 19 sind
paarweise auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Drehachse 7 zueinander fluchtend, d.h. gleichachsig,
angeordnet. Die Achsen der Zylinderpaare sind hierbei um 90° um die Drehachse 7 herum
gegeneinander winkelversetzt und liegen in derselben achsnormalen
Ebene des Zylinderläufers 5,
können
aber auch in Richtung der Drehachse 7 gegeneinander versetzt
sein. Die einander paarweise zugeordneten Kolben 19 sind
durch Kolbenstangen 21 starr miteinander verbunden.
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In
dem Gehäuse
1 ist
in Wälzlagern
23 eine Kurbelwelle
25 um
eine zur Drehachse
7 um eine Exzentrizität e achsparallel
versetzte Drehachse
27 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle
25 trägt feststehend
zwei axial nebeneinander angeordnete Exzenter-Kreisscheiben
29,
die in Lageröffnungen
31 der Kolbenstangen
2i sitzen
und die Kolbenstangen
21 über Nadellager
33 führen. Die
Exzenter-Kreisscheiben
29 definieren Exzenterlager mit
zur Drehachse
27 der Kurbelwelle
25 achsparalleler,
jedoch um den Wert der Exzentrizität e gegen die Drehachse
27 versetzten
Exzenter-Drehachsen
35. Die Exzenter-Drehachsen
35 der
beiden Exzenter-Kreisscheiben
29 sind
ebenfalls um 90° gegeneinander
um die Drehachse
27 herum winkelversetzt. Die Exzenter-Kreisscheiben
29 haben
einen Radius, der größer ist
als die Exzentrizität
e und sind ausschließlich
in ihrem radialen Überlappungsbereich
miteinander verbunden. Über
die Umfangsflächen
der einzelnen Exzenter-Kreisscheiben
29 stehen damit ausschließlich Kreisbereiche
der übrigen
Exzenter-Kreisscheiben vor. In der dargestellten bevorzugten Ausgestaltung sind
die Laufflächen
der Nadellager
33 jeweils unmittelbar durch die Umfangsflächen der
Exzenter-Kreisscheiben
29 bzw.
die Innenflächen
der Lageröffnungen
31 gebildet.
Weitere Einzelheiten und bevorzugte Ausgestaltungen der Kurbelwelle
25 und
ihrer Exzenterlager sind in dem Patent
EP 0 477 256 B1 beschrieben,
auf das ausdrücklich
Bezug genommen wird.
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Die
Kolben 19 begrenzen zusammen mit den sie umgebenden Zylindern 17 und
der Umfangswand 9 des Zylinderläufers 5 jeweils Druckräume 37,
in die über
eine nachstehend noch näher
erläuterte
Gaswechselsteuerung für
den Betrieb des Motors unter einem Überdruck von beispielsweise
10 bar stehendes Druckgas beginnend mit der oberen Totpunktstellung
zugeführt
wird. Im Verlauf der Drehung des Zylinderläufers 5 expandieren
die Druckräume 37, die
in der oberen Totpunktstellung der Kolben 19 ihr minimales
Volumen haben, bis auf ihr maximales Volumen in der unteren Totpunktstellung,
wobei die Druckenergie des Druckgases in Abtriebsenergie der Kurbelwelle 25 umgesetzt
wird. Während
der nachfolgenden Kontraktionsphase der Druckräume 37 wird das zumindest
teilweise entspannte Gas aus den Druckräumen 37 ausgeschoben.
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Bei
dem Druckgas kann es sich um ein beliebiges Gas, wie zum Beispiel
Luft oder insbesondere um Stickstoff handeln. Unter einem Druckgas
soll aber hier und im Folgenden aber auch Druckdampf, beispielsweise
Wasserdampf, verstanden werden.
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Die
Gaswechselsteuerung umfasst ein am Außenumfang des Zylinderläufers 5 ausgebildetes Drehschieberventil 39 mit
zwei zueinander koaxialen, kreisringzylindrischen Schieberelementen 41, 42, von
denen das innere Schieberelement 41 mit der Umfangswand 9 des
Zylinderläufers 5 verbunden
ist, während
das äußere Schieberelement 43 am
Innenmantel 3 des Gehäuses 1 sitzt.
Die radial aneinanderliegenden Umfangsflächen der Schieberelemente 41, 43 sind
durch einen Ölfilm
einer nicht näher
dargestellten, auch die rotierenden Komponenten des Motors schmierenden Ölschmierung
gegeneinander abgedichtet und durch axial seitlich angeordnete Dichtleisten 45 (2)
gegen Abschleudern des Ölfilms
abgedichtet.
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Für die Zuführung des
Druckgases zu den Druckräumen 37 sind
in dem äußeren Schieberelement 43 in
Umfangsrichtung gegeneinander versetzt zwei Einlasssteueröffnungen 45, 47 ausgebildet,
die mit einem Druckgaseinlass 49 des Gehäuses 1 verbunden
sind. Das äußere Schieberelement 43 enthält darüber hinaus
eine Auslasssteueröffnung 51, die
mit einem Auslass 53 für
das entspannte Gas verbunden ist. In dem inneren Schieberelement 41 ist
für jeden
Druckraum 37 gesondert eine Steueröffnung 55 vorgesehen,
die im Verlauf der Rotation des Zylinderläufers 5 nacheinander
mit den Steueröffnungen 45, 47 und 51 kommuniziert.
Die Steueröffnungen 55 sind über Gaswechselkanäle 57 mit
dem zugeordneten Druckraum 37 verbunden. Über die
Gaswechselkanäle 57 wird
das Gas den Druckräumen 37 sowohl zugeführt als
auch aus diesen wieder abgeführt.
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Die
Umfangserstreckung der Einlasssteueröffnungen 45, 47 legt
den Einlasswinkel der Zylinder 17 fest. Entsprechendes
gilt für
den Umfangswinkel der Auslasssteueröffnung 51, der den
Auslasswinkel bestimmt. Der Einlasswinkel sollte möglichst
klein sein, z.B. etwa 90° um
einen hinreichend großen
Entspannungswinkel, in welchem das Druckgas sich entspannen und
seine Druckenergie an den Motor abgeben kann, möglichst groß bemessen zu können, während der
Auslasswinkel möglichst
groß,
beispielsweise in der Größenordnung
von 180° gewählt ist,
um Energieverluste beim Ausschieben des entspannten Gases möglichst
klein zu halten.
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Es
hat sich gezeigt, dass der Verkleinerung des Einlasswinkels Grenzen
gesetzt sind, wenn der Motor aus dem Stillstand sicher anlaufen
soll. Um das Drehmoment des Motors steuern zu können, und insbesondere das
Drehmoment beim Anlaufen wählbar
erhöhen
zu können,
ist die bereits in der oberen Totpunktstellung wirksame Einlasssteueröffnung 45 direkt
mit dem Druckgaseinlass 49 verbunden, während die in Drehrichtung des
Zylinderläufers 5 nachfolgende
Einlasssteueröffnung 47 mit
dem Druckgaseinlass 49 über
einen Nebenschlusskanal 59 verbunden, der ein Steuerventil 61 enthält, mittels
dem die Druckgaszufuhr zu der Einlasssteueröffnung 47 unabhängig von
der Druckgaszufuhr zu der Einlasssteueröffnung 45 wahlweise
freigegeben oder gesperrt werden kann. Über das Steuerventil 61 kann der
Einlasswinkel auf diese Weise für
das Anlaufen des Motors gezielt verlängert werden.
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Der
Einlasswinkel der beiden Einlasssteueröffnungen 45, 47 ist
insgesamt größer als
der Zwischenwinkel zwischen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden
Zylindern 17, so dass die Einlasssteueröffnung 45, 47 in
keiner Drehposition des Zylinderläufers 5 das Druckgas
gemeinsam demselben Druckraum 37 zuführen. Vielmehr werden in Drehrichtung
aufeinanderfolgende Zylinder 17 gleichzeitig geladen.
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Wie
am besten 1 zeigt, verlaufen die Gaswechselkanäle 57 in
Umfangsrichtung schräg
in der Umfangswand 9, wobei sie bezogen auf die Steueröffnung 55 in
Drehrichtung voreilend in den Druckraum 37 münden. Die
in den Druckraum 37 einströmenden Druckgase bewirken damit
einen Turbineneffekt, der das Drehmoment des Motors erhöht.
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Wie
am besten 2 zeigt, ist die Kurbelwelle 25 über ein
Stirnradgetriebe 63 drehfest mit dem Zylinderläufer 5 gekuppelt.
Das Stirnradgetriebe 63 ist so justiert, dass die über ihre
Kolbenstangen 21 an den Exzenter-Kreisscheiben 29 der Kurbelwelle 25 geführten Kolben 19 im
Wesentlichen keine Schubkräfte
auf die Zylinder 17 des Zylinderläufers 5 ausüben, was
ansonsten bei fehlendem Stirnradgetriebe 63 der Fall wäre und die
Abtriebsleistung des Motors verringern und den Verschleiß erhöhen würde. Das Stirnradgetriebe 63 umfasst
hierzu ein auf der Kurbelwelle 25 drehfest sitzendes erstes
Stirnrad 65 sowie ein an einem Lageransatz 67 des
Zylinderläufers 5 gleichachsig
zu. dessen Drehachse 7 drehfest sitzendes zweites Stirnrad 69.
Das erste Stirnrad 65 kämmt
mit einem achsparallel zur Drehachse 27 der Kurbelwelle 25 an
dem Gehäuse 1 drehbar
gelagerten dritten Stirnrad 71, das seinerseits drehfest
mit einem gleichachsigen, vierten Stirnrad 73 verbunden ist.
Das vierte Stirnrad 73 kämmt mit dem zweiten Stirnrad 69.
Auf Grund der Kinematik des Zylinderläufermotors rotiert die Kurbelwelle 25 mit
doppelter Drehzahl bezogen auf die Drehzahl des Zylinderläufers 5.
Dementsprechend ist das Verhältnis
der Teilkreisdurchmesser der Stirnräder 69, 73 gleich
2:1 gewählt,
während
die Stirnräder 65 und 71 der
Einfachheit halber gleichen Teilkreisdurchmesser haben. Da das Stirnradgetriebe 63 ausschließlich aus
Stirnzahnrädern
aufgebaut ist, lässt
es sich mit vergleichsweise geringem Aufwand realisieren. Das Übersetzungsverhältnis des
Stirnradgetriebes 63 kann aber auch anders auf die Stirnradpaare
verteilt sein.
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Die
Exzenter-Kreisscheiben 29 und dementsprechend auch die
Kolbenstangen 21 sind in Richtung der Drehachse 27 der
Kurbelwelle 25 gegen die Achsen der Zylinder 17 versetzt.
Vom kolbennahen Ende der Kolbenstange 21 steht ein Arm 75 quer über die
Zylindermitte hinweg ab, der in eine Tasche 77 des Kolbens 19 formschlüssig eingreift.
Der Kolben 19 ist mit Hilfe von zwei nebeneinander angeordneten
Schrauben 79 an der Kolbenstange 21 bzw. ihrem
Arm 75 angeschraubt. Die Schrauben 79 können, verglichen
mit der Befestigungsvariante einer einzigen Schraube, einen kleineren
Durchmesser haben und lassen sich dementsprechend auch bei schwächer dimensionierten
Kolbenstangen unterbringen.
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Nachzutragen
ist, dass axial beiderseits der Exzenter-Kreisscheiben 29 auf
der Kurbelwelle 25 Massenausgleichsscheiben 81 drehfest
angeordnet sind, die für
einen Unwuchtausgleich sorgen.
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Im
Folgenden werden Varianten des Druckgas-Zylinderläufermotors
erläutert.
Gleichwirkende Komponenten sind mit den Bezugszahlen der 1 und 2 bezeichnet
und zur Unterscheidung mit einem Buchstaben versehen. Für die Erläuterung
einschließlich
eventueller Varianten wird auf die vorangegangene Beschreibung Bezug
genommen.
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Der
Druckgas-Zylinderläufermotor
der 3 und 4 unterscheidet sich von dem
Motor der 1 und 2 in erster
Linie dadurch, dass er als Sechszylindermotor ausgebildet ist und
die Gaswechselsteuerung ein der Kurbelwelle 25a benachbartes
Drehschieberventil 39a umfasst, welches wiederum sowohl
den Gaseinlass als auch den Gasauslass steuert und axial seitlich
des Zylinderläufers 5a auf
der dem Stirnradgetriebe 63a axial abgewandten Seite angeordnet
ist.
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Der
Zylinderläufer
5a enthält sechs
Zylinder
17a, in welchen wiederum je ein Kolben
19a senkrecht
zur Drehachse
7a verschiebbar angeordnet ist. Die Zylinder
17a bzw.
Kolben
19a sind paarweise auf einander gegenüberliegenden
Seiten der Drehachse
7 zueinander fluchtend angeordnet,
wobei die Achsen der Zylinderpaare um 120° um die Drehachse
7 herum
gegeneinander winkelversetzt sind und in derselben achsnormalen
Ebene des Zylinderläufers
5a liegen.
Auch bei der Variante der
3 und
4 sind
die einander paarweise zugeordneten Kolben
19a durch Kolbenstangen
21a starr
miteinander verbunden. Auch die drei jeweils Exzenterlager definierenden
Exzenter-Kreisscheiben
29a sind ebenfalls um 120° gegeneinander
um die Drehachse
27a herum winkelversetzt. Die Exzenter-Kreisscheiben
29a sind
wiederum fest mit der Kurbelwelle
25a verbunden. Auch in
diesem Zusammenhang wird auf die Erläuterungen in
EP 0 477 256 B1 verwiesen.
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Das
Drehschieberventil 39a hat wiederum koaxial ineinander
angeordnete Schieberelemente 41a und 43a, wobei
als inneres stationäres
Schieberelement 43a der Umfangsbereich des den Zylinderläufer 5a lagernden,
gehäusefesten
Lageransatzes 13a ausgenutzt wird. Die Einlasssteueröffnungen 45a, 47a sind,
wie am besten 4 zeigt, ebenso wie die Auslasssteueröffnung 51a in
die Umfangsfläche
des Lageransatzes 13a als in Umfangsrichtung aufeinander
folgende Umfangsnuten eingearbeitet, die mit den Steueröffnungen 55a des
kreisringzylindrischen, rotierenden äußeren Schieberelements 41a vorgesehenen
Steueröffnungen 55a im
Verlauf der Rotation des Zylinderläufers 5a kommunizieren. Hierbei
ist jedem Druckraum 37a eine der Steueröffnungen 55a des zusammen
mit dem Zylinderläufer 5a rotierenden
Schieberelements 41a zugeordnet und über einen sowohl für den Gaseinlass
als auch den Gasauslass gemeinsam genutzten Gaswechselkanal 57a mit
dem Druckraum 37a des Zylinders verbunden. Der Gaswechselkanal 57a reicht
hierbei vom Bereich der Kurbelwelle 25a bis in den Bereich der
Umfangswand 9a des Zylinderläufers 5a. Wie auch
bei dem Drehschieberventil 39 der 1 und 2 verläuft auch
bei dem Drehschieberventil 39a der Druckgasweg radial zu
der im Wesentlichen kreiszylindrischen Dichtfuge zwischen den Schieberelementen 41a, 43a,
was die Abdichtung erleichtert, da der zur Abdichtung mit ausgenutzte
Schmierölfilm der
Dichtungsfuge nicht auf Grund der Rotationsbewegung abgeschleudert
wird.
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Die
das rotierende Schieberelement 41e bildende Dichthülse kann
gegebenenfalls die Funktion des Lagers 11a übernehmen,
nachdem die Dichthülse
für die
Abdichtfunktion ohnehin geschmiert ist. Das Lager 11a kann
damit entfallen.
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Die
Funktionsweise des Drehschieberventils 39a entspricht der
Funktionsweise des vorangegangen erläuterten Drehschieberventils 39,
wobei auch hier zwei Einlasssteueröffnungen 45a, 47a vorgesehen
sind und die Druckgaszuführung
zu der in Drehrichtung nachfolgenden Einlasssteueröffnung 47a über ein
(nicht dargestelltes) Steuerventil ähnlich dem Steuerventil 61 sperrbar
ist.
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Es
versteht sich, dass das Drehschieberventil der 3 und 4 auch
bei einem Vierzylinder-Zylinderläufermotor
benutzt werden kann und dass das Drehschieberventil 39 der 1 und 2 auch
bei einem Sechszylindermotor vorgesehen sein kann. Es versteht sich
ferner, dass die Drehschieberventile der 1 bis 4 auch
bei Motoren genutzt werden können,
die kein Stirnradgetriebe ähnlich
den Stirnradgetrieben 63 und 63a nutzen.
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Die
Kolben der anhand der 1 bis 4 erläuterten
Motoren haben die Form eines zur Kurbelwelle hin offenen Topfs.
Auf Grund der Rotation des Zylinderläufers kann sich Schmieröl, welches
die Kolben im Betrieb von den Zylindern abstreifen, in dem Topf
sammeln, was die Schmierfunktion beeinträchtigen kann. Diesen Effekt
vermeidet der in 5 dargestellte Kolben 19b,
der auf der Seite der Kolbenstange 21b durch einen im Wesentlichen
ebenen Boden 83 abgeschlossen ist. Von der Zylinderwand abgestreiftes Öl fließt entlang
des ebenen Bodens zurück
zur Zylinderwand.
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Der
Kolben 19b ist als Hohlkolben ausgebildet und enthält einen
thermisch isolierenden Hohlraum 85. Der Kolben 19b ist
hierzu aus zwei Schalen 87, 89 geformt, von denen
eine die Bodenwand 83 und die andere eine Dachwand 91 bildet.
Die Schalen werden durch wenigstens eine den Kolben 19b zugleich
an der Kolbenstange 21b befestigende Schraube 93 zusammengehalten.
Das Drehschieberventil kann gegebenenfalls auch axial seitlich des Zylinderläufers im
Bereich der Kurbelwelle angeordnet sein.