DE3224482A1

DE3224482A1 - Kolbenmaschine mit rotierender zylinderwand

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Publication number: DE3224482A1
Application number: DE3224482A
Authority: DE
Inventors: Prodromos Prof. Dr.-Ing. 8000 München Bekiaroglou
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-09-23
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1983-09-08
Anticipated expiration: 2002-07-01
Also published as: DE3224482C2; EP0090814B1; BR8207878A; AU8909382A; CA1206887A; EP0090814A1; ATE17154T1; WO1983001088A1; JPS58501592A; US4553506A

Description

Prudromos Bekiaro- ·1ου

KoI t'i.'i'i'iiijüoh Luc: uii. t ro t Loren 3<.τ /ivli

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit periodisch variierendem Innenraum, (Arbeitsraum) welche insbesondere als Kraftmaschine, zur Beförderung von Gasen und Flußigkeiten und zur Verdichtung von Gasen verwendet wird.

Solche Maschinen v/erden in der Praxis meistens dadurch realisiert, daß ein sich in einer zylindrischen Bohrung hin und her gehender Kolben den Arbeitsraum verändert. Diese Hubbewegung des Kolbens wird mittels eines Kurbelgetriebes auf die für die meisten technischen Anwendungen übliche Drehbewegung übersetzt. öffnen und Schließen des Arbeitsraumes für das Einbzw. Ausströmen dec Arbeitsr,:ediums wird gewöhnlich durch die Bewegung zusätzlicher Teile (Ventile, Schieber) erreicht, die meistens mittels eines zusätzlichen Mechanismus angetrieben werden.

Der Vorteil riie;ser Konstruktionen liegt darin, daß der zylindrische Arbeitsra· ::. sie:η besonder.'.· leicht und wirkungsvoll abdichten läßt sowie in der Tatsache, da.^r:' solcne Maschinen durch jahrzehntelangen Einsatz, und ständige Verbesserungen ei;.en nohen Grad der Reife err&icht haben.

Ihre wichtigsten Kacr-teile sind:

1. Ler Mechanismus für die Ver.tilensteuerung verhindert durch seine Trägheit die rasche Be- bzw. Entladung der Maschine und ist außerdem kompliziert, teuer und empfindlich.

2. Das Zeitgeset:?· für die Volume wanderung des Arbeitsraumes ist nicht das optimale weder für die Verringerung der Beschleunigungskräfte noch die Ernöhur.g des Wirkungsgrades, kann aber nicht, verändert werden, da es von der Kurbelkinematik auferlegt wird.

3· Bei der Umsetzung der Hub- auf Rotationsbewegung durch das Kurbelgetriebe erscheii:en auf den Kolben starke seitliche Kräfte, die durch Reibung große Arbeitsverluste und hohen Verschleiß verursachen.

k. Die Länge des Hubes also die Voluinenänderung des Arbeitsraumes und somit die Leistung der Maschine ist bei konstanter Drehzahl vorbesti-cont, sodai: für die meisten Anwendungen ein zusätzliches Umsetzungsr;etriebe benötigt wird.

Zahlreiche Eerr'JLunren diesen Kachteiü en aus den Wege zu gehen, wurden und werden ständig unternommen, stoßen aber ireistens auf andere Schwierigkeiten

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vrie Konstruktions-, Dichtungs- und Verschlexßprobleme oder führen zu erniedrigtem Wirkungsgrad.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Maschine zu konstruieren, die bei möglichst großer konstruktiver Einfachheit die Funktior. einer Kolbenmaschine erfüllt, ohne die Nachteile der bekannten Ausführungen aufzuweisen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Zylinderwand (und/oder die Zylinderdecke) in einer Rotationsbewegung um die eigene Achse versetzt wird. Diese Pewegung wird für die Steuerung der Be- bzw. Entladung des Arbeitsraumes benutzt. Verbindungsöffnung oder -öffnungen an der Zylinderwand (und/oder -decke) angebracht, treffen periodisch während dieser Drehbewegung (auf den ihnen gegenüberliegenden unbewegten Teil der Maschine)

a) Kanäle für den Ein- bzw. Auslaß des Arbeitsmediuns (der Arbeitsraum ist offen, je nach Bewegungsrichtung des Kolbens kann Ein- oder Auslai: erfolgen) oder

b) die geschlossene Wand (der Arbeitsraum ist abgeschlossen, je nach Bewegungsrichtung- des Kolbens kann Kompression oder Expansic.n erfolgen) oder

c) Vorrichtungen für einen zusätzlichen Einfuhr eines Fluiduns (z.B. Einspritzdüsen) oder Zündung des Gasgemisches (z.B. Zündkerzen).

In Fig. 1 sind im Prinzip eines Viertaktmotors diese Möglichkeiten gezeichnet. Die obere Reihe zeigt schematisch Schnitte quer zu der Zylinder' achse in verschiedenen Phasen. Darunter ist ebenfalls schematisch in j Schnitten längs der Zylinderachse die entsprechende Stellung und Bewegungs richtung des Kolbens dargestellt. In Stellung a befindet sich die an der Zylinderwand angebrachte öffnung gegenüber dem Ansaugkanal. Da die Kolben bewegung eine Vergrößerung des Arbeitsraumes verursacht, strömt das Gas- i

ι gemisch ein. In Stellung b steht vor der Verbindungsöffnung die geschloss ne Wand des unbewegten Maschinenteils, der Arbeitsraum ist abgeschlossen, die KoIbenbewegung führt zu Verdichtung. In Stellung c der Kolben hat _; den oberen Totpunkt erreicht, die öffnung steht vor der Zündvorrichtung, ; die Zündung erfolgt. In Stellung d der Verbrennungsraum ist geschlossen,^; die Expansion findet statt. In Stellung e die Abgase strömen· aus. i

Der Kolben behält die herkömmliche zylindrische Form, sodaß er durch Kolbenringe abgedichtet wird .u.ndk«nn je nach Ausführung eine renne Hubbewegung oder eine kombi ni t ·:·1ο Hub- und JvoLatJ ontibewcgung um die eigene Achse ausführen, wobei diese Rotation die gleiche oder unter-

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cchiedliche Winkelgeschwindigkeit wie die Zylinderwand aufweist.

Die Abdichtung der Zylindaröffnungen dem unbewegten Teil der Maschine gegenüber erfolgt durch einen oder mehrere homozentrische Ringe, die je nach der Form der Verbindungeöffnung kreisförmig, oval oder polygon geformt sind und an der Zylinderwand bzw. -decke eingelassen sind. Federn unterhalb dieser Dichtungsringe angebracht, drücken sie ständig auf den unbewegten Teil der Maschine.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei dieser Maschine der Ventilenmechanisiaus entfällt, ohne daß man von der für die gute Abdichtung so vorteilhaften Form des zylindrischen Kolbene oder dem Viertaktprir.zip verzichten muß. Dies hat zur Folge zunächst die Erniedrigung der Konstruktions- und Reparaturkosten, sowie die Verhinderung des Gewichtes und des Bauraumes der Maschine weiterhin aber äie Verbesserung der Ströcungsbedingungen für das Arbeitsfluidum. Erstens kann das Auf- und Zumachen des Arteitsraumes viel rascher erfolgen, da dafür keine zusätzlichen Massen in Bewegung gesetzt werden müssen, und zweitens steht für die ganze Phase der Ein- bzw. Ausströmung der volle Querschnitt der Verbindung^ öffnung zur Verfugung, sodaß die Reibungsverluste ininisalisiert werden. V/eitere Vorteile hängen nit der jeweiligen Anwendung der Maschine zusammen. Z.B. für einen Verbrennungsmotor, der eine der wichtigsten Anwendungen der Erfindung darstellt, bestehen weitere Vorteile ■ an folgenden Punkten:

1· Das Fehlen der heißen Stelle des Auslaßventils erlaubt bei Bezinmotoren eine höhere Verdichtung ohne Selbssündungsgefahr.

Z. Die "Klopffestigkeit" wird weiter dadurch erhöht, daß die Gase im Brennraum durch die Drehbewegung des Zylinders sich in einem hohen Grad der Turbulenz befinden.

3· Da die Zündung nur während des Vorbeifahrens der Verbindungsöffnung vor der Zündvoi'Tichturig möglich ist, wird die Erzeugung eines periodischen Funkens nicht benötigt, oodaß der entsprechende Mechanismus entfällt. Die Zündvorrichtung kann einfach eine heiße Stelle sein, eventuell unterstützt in irrer Wirkung durch die Anwesenheit eines Katalysators.

A. Da die Zündung aus dem inneren der Verbindungsöffnung startet, und darin v/c-ren dor Fliehkraft die schwereren Moleküle eich gesammelt haben, verläuft die Flamme aus "fcttt-rt.-n" zu "ärgeren" Bereichen des Gasgemisches,

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was ruhigeren Lauf und vollständigere Verbrennung zur Folge hat.

Weitere durch die Erfindung erzielte Vorteile hängen mit der jeweiligen Ausführung zusammen und hauptsächlich mit der Art, wie die Hubbewegung des Kolbens zustande kommt. Wird dies durch ein herkömmliches Kurbelgetriebe ' erreicht, so braucht dieser Fall nicht besonders erläutert zu v/erden. Will! man aber die Nachteile (Seite 1 Punkte 2 und 3), die dieses Getriebe neben ' seinem großen Gewicht und Raumbedarf aufweist, vermeiden, oder eine ver- ^; änderliche Leistung (Seite 1 Punkt k) erzielen, so sind in Verbindung mit der bereits beschriebenen Erfindung Ausführungen ersonnen, welche ihre Vorzüge voll in Geltung bringen. Anhand zwei Ausführungsbeispiele werden solche Ausbildungen der Erfindung beschrieben. !

1. Ausführungsbeispiel

Figur 2 (a und b) zeigt in Längsschnitt eine Verbrennungsgaschine mit vier : Arbeitsräumen und eine'n gemeinsamen Zylinder 1, der zugleich als Rotor die Welle der Maschine bildet. Die Doppelkolben 2 und 3 bilden die vier Arbeits räume h, 5₅ 6 und.7 aus. Zur Erzeugung der Eubbewegung der Kolben dienen die Kurvenführungen 8 und 9i die ^als Kanäle an dea unbewegten Teil der Maschine eingelassen sind. In diesen Kanälen gleiten die Enden der Stifte 10 und 11, die auf die Kolben befestigt sind. T'iese Stifte durchdringen die Zylinderwand durch die Schlitze 12 und 13· Wird der Zylinder in Rotatic versetzt, so zwingen diese Schlitze die Stifte 10 und 11 (und in Folge auch die Kolben) mit zu rotieren. Während dieser Bewegung aber müssen die Stifts sich auch der Führung der Kanäle 8 und 9 fügen, und somit erhalten sie j (und durch ihnen die Kolben) eine axiale Bewegungskomponente. j

Axial- oder kombinierte Radial-Axiallager an beiden Enden des Rotors angebracht, übernehmen die starken Axialkräfte, die aus dem in den Arbeitsräumen entstehenden Druck resultieren. Die kleineren aus dem Eigengewicht des Rotors herstammenden Radialkräfte werden hauptsächlich auf die vier Laufflächen, auf denen die öffnungen des Rotors laufen, verteilt. .. Dementsprechend werden diese Stellen als Gleit- bzw. Nadellager gestaltet. ' Schmiermittel eingefüllt in die Räume, in denen die Stifte 10 und 11 sich bewegen, sorgt für die Schmierung der Maschine. Kühlmittel (Wasser, Luft oder öl) um den Rotor geführt, sorgt für die Abfuhr der unerwünschten Wärme Zu diesem Zweck ist auch die Trennwand in der Mitte des Rotors doppelwandig ausgeführt, damit die Kühlung der Arboitsraurae 'j und 6 gewährleistet wird. Dichtriuge an den pan;;<.-ndon .'3tr: I I ei: migelirochi, i.orpon für die "'r-i

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zwischen Schmier- und Kühlmittel. Um die Fig. 2 nicht übermäßig zu belasten, sind die erwähnten Lager und Dichtungen sowie die Doppelwand nicht in D-etail gezeichnet.

Die Tatsache, daß der Eotor in dem ihn umhüllenden Medium rotiert, wird durch entsprechende Formgebung seiner Oberfläche dazu genutzt, um eben dieses Medium in Bewegung zu setzen, ohne zusätzliche Pumpen oder Gebläse zu benötigen. Ein Teil des Rotors wirkt als ölpumpe ein anderer als Wasserpumpe oder Gebläse. Diese Möglichkeit die rotierende Zylinderwand als funktionelles Element der Maschine zu verwenden, kann so weit geführt werden, daß sie gleichzeitig als Turbine für den Abgas und als Vorverdichter benutzt wird, sodaß die Maschine zu einer tibergangsform zwischen einem Kolben- und einem Turbinentriebwerk wird.

Die Stifte 10 und 11, die Schlitze 12 und 13 und die Kanäle 8 und 9 übernehmen die ganze Funktion des Getriebes für die Umsetzung der Hubbewegung dec Kolbens in die Rotationsbewegung der Achse der Maschine. Dabei üben die Stifte starke Kräfte auf die Innenfläche der Schlitze und der Kanäle, was zur erhöhten Reibung an diesen Stellen führt. Diese Stellen können als Gleitlager (so wie sie ir. der Figur 2 dargestellt) oder als Rollenlager gestaltet werden. Um die Lagerung spielfrei zu halten, müssen dann jeweils zwei Rollen (oder Rollenreihen) verwendet werden, von denen jede .ständig in Kontakt mit der einen der Innenfläche des Kanals oder der Kurvenführung steht

Sowohl die Flach- wie die Kurvenführungen können statt durch Kanäle durch entsprechende. Leisten realisiert werden. In diesem EaIl laufen die Rollen nicht auf Innen- sondern auf Außenflächen, die unter Umständen leichter hergestellt, gehärtet und poliert werden können. Eine andere Ausführung des Mechanismus "Stift-Kurve-Gerade" ist dadurch realisierbar, daß die Kurve auf die Zylinderwand ausgebildet ist und sie damit durchtrennt, und die Geraden in dem unbewegten Teil der Maschine eingelassen sind. In diesem Fall führt der Kolben keine Rotationsbewegung aus, und der nun in zwei Teilen getrennter Rotor wird in seiner Stelle durch die an¹ seinen Enden angebrachten Axiallager gehalten.

Die Führungsflächen der Kurvenführungen sind in dem Raun gekrümmte Flächen, die durch die herkömmlichen Werkzeugmaschinen sich nicht leicht realisieren lassen. Die Aufgabe zu ihrer Erzeugung wurde erfindungsgemäß dadurch gelö.'it, daß der Fräser (bzw. Schleifscheibe), der diese Fläche erzeugt,

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genau den Durchmesser hat wie die Rolle, die auf dieser Fläche laufen wird Der Raum, in dem der Rotor der Maschine eingeführt wird, ist eigentlich eine Bohrung entlang dem unbewegten Teil der Maschine. Der Fräser steht senkrecht zu der Achse dieser Bohrung. Der zu bearbeitende Teil wird um seine Achse gedreht und zugleich in Bezug auf dem Fräser axial bewegt. Diese axiale Bewegung.wird von einer bereits hergestellten gleichen Fläche geführt, indem eine auf sie stützende Rolle das zu bearbeitende Teil gegen den Fräser drückt.

Die zwei Teile der Figur 2 zeigen die Maschine in zwei unterschiedlichen Zeitpunkten ihrer Funktion. In der Figur 2b der Rotor hat sich um 90° gegenüber der Lage in Figur 2a gedreht. Die Kolben, die sich auf Figur 2a an dem einen Ende ihres Weges befanden, haben nun das andere Ende erreicht. Die Bewegung der Kolben ist absolut symmetrisch, sodaß die Maschine wegen der periodisch beschleunigten Massen keine Erschütterungen aufweist. Da bei einer vollen Umdrehung jeder Kolben viermal seinen Weg durchläuft, handelt.es sich hier um einen "vierzylindei·" Viertaktmotor. Entsprechend sind vier öffnungen an der Zyliriderwand vorgesehen, sodaß jeder Arbeitsraum sich in einer anderen Phase des Viertaktzyklus befindet.

In Figur 2a ist im Arbeitsraum h soeben die Ansaugphase beendet, die öffnung l4 verläßt gerade den Einfuhrkanal 15· Die Verdichtung- beginnt. Im Raum 5 wurde gerade die Verdichtung beendet, die öffnung 16 steht gegenüber der Zündanordnung 17, der Arbeitstakt beginnt. Im Raum 6 ist soeben der Auspufftakt beendet und der Ansaugtakt beginnt. Die öffnung dieses Raumes ist nicht sichtbar, da sie sich oberhalb der Zeichnurgsebene liegt. Im Raum 7 ist die Expansion gerade beendet und beginnt die Ausfuhr, die öffnung 20 steht dem Ausfuhrkanal 21 gegenüber.

In Figur 2b wurde im Raum k soeben die Verdichtung zu Ende, die öffnung steht gegenüber der Zündanordnung 17, der Arbeitstakt beginnt. Ic Raum 3 ist der Arbeitstakt zu Ende, die öffnung 16 erreicht den Ausfuhrkanal, der Auspufftakt'beginnt. Im Raum 6 ist das Ansaugen zu Ende und die Verdichtur beginnt, die öffnung 22 verläßt gerade den Einfuhrkanal 15· Im Raum 7 ist der Auspufftakt beendet, und die Ansaugphase beginnt, die öffnung des Räume ist nicht mehr sichtbar, da sie oberhalb der Zeichnungsebene befindet.

Um die Figur 2 verständlicher zu halten,.sind die öffnungen 14, 16, 20 und 22 kreisförmig gezeichnet. (Aue dem-gleichen Grund sind auch die um die öffnungen eingelassenen Dichtungeringe nicht gezeichnet). Kreiuförmige

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OV f'i ι UT i.c]i r..i lid I ;'(iniifiC!ii awnr leicht horf;tel3bar dai'ür aber unter Umständen nicht ijO vorteilhaft, weil um «inen genügend großen Q_uerGchnitt dein ein- bzw. ausströmenden Gas zur Verfugung zu stellen, muß man sie entsprechend groß gestalten. Andererseits aber dürfen die Dichtungsringe der Kolben im oberen Totpunkt nicht vor diesen öffnungen erscheinen, sonst isi die Abdichtung nicht gewährleistet. Um das erwünschte Verdichtungsverhältnis zu realisieren, muß man dann den Kolbenkopf und/oder die Brennraumdecke entsprechend gewölbt gestalten, was zu erhöhten Herstellungskosten und Konstruktionslänge der Maschine führt.

Daher sind längliche öffnungen (mit ihrer kleineren Dimension parallel zur Rotorachse und ihrer größten quer zu ihm) von Vorteil. Entsprechend der Länge der öffnungen verkürzen sich dann die Ein- und Ausführkanäle auf dem unbewegten Teil der Maschine, bis sie die Fora einer einfachen Eohrung annehmen. In diesem Fall könnte von Vorteil sein, wenn die Dichtungselement^ statt auf dem Rotor auf dem unbewegten Teil der Maschine eingeführt und durch Federn gegen den Rotor gedruckt werden.

Da ein Verbreiinungsmotor in Wirklichkeit ein chemischer Reaktor mit variierendem Volumen ist, dessen Volumenänderung zur Erzeugung mechanisch/er Arbeit ausgenutzt wird, kann die Optimierung seiner Funktion (vollständigere Verbrennung, weniger schädlicher Produkte, größerer Wirkungsgrad) nur durch die Anpassung des Zeitgesetzes für die Volumenänderung an die Bedürfnisse der chemischen Reaktionskinetik und der Thermodynamik erfolgen. In dem herkömmlichen Kolbenmotor aber ist dieses Zeitgesetz von der Kurbelkinematik als harmonische Bewegung vorbestimmt und zwar (wie es sich zeigen läßt)· recht ungünstig. Nicht einmal in Bezug auf die Beschleunigung des Kolbens ist das harmonische Gesetz günstig. Es läßt sich leicht zeigen, daß durch die Anwendung eines Bewegungsgesetzes nach dem Quadrat der Zeit die gleichen Kolbengeschwindigkeiten durch wesentlich kleinere Kräfte erreicht werden.

Die Anwendung der Kurvenführung in diesem Ausführungsbeispiel erlaubt in weiten Grenzen eine Abweichung der Kinematik der Kolben von den harmonischen Zeitgesetz. WiIi man für Schnellaufende Motoren die Trägheitskräfte minina"^:isieren, so erlaubt eii:e Kurvenführung ohne weiteres die Realisierung des Zeitgesetzes, zweiter Ordnung, das außerdem auch zi; einem wesentlich besseren Wirkungsgrad führt· Will man andererseits den Wirkungsgrad nach Möglichkeit steigern, so kann die Anwendung der Kurvenführung zu Bewegungen höherei: Gradc-ε oder vorteilhafter zu Bewegungen^ mit exponentieller Zeit-

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abhängigkeit führen, die besser angepaßt an die Reaktionskinetik sowie die " Thermodynamik sind und die Minimalisierung des Brennstoffverbrauchs erreiche:

Die Anwendung der Kurvenführung ist nicht auf den Viertaktprinzip beschränkt! Die Maschine kann genauso gut Zwei- oder Sechstakt sein. Im alLgemeinen ι kann durch die Gestaltung der Kurvenführung jede beliebige gerade oder auch ungerade Anzahl von Hubbewegungen des Kolbens bei jeder Umdrehung des Rotors erreicht. Die dabei erzielte "Taktzahl" hängt mit der Anzahl der öffnungen in jedem Arbeitsraum zusammen. Bringt man z.B. in der Ausführung der Fig. 2 in jedem Arbeitsraum eine zweite Verbindungsöffnung diametral zu der bestehenden, so wird ohne andere Veränderung aus der Viertakt- eine Zweitaktmaschine. Ein zusätzlicher Vorteil der Kurvenführung besteht darin, daß durch entsprechende Gestaltung die Zeitdauer und/oder die Hublänge jeder Phase nicht identisch zu den restlichen sein muß, ja sogar Phasen eingeführt werden können, bei denen keine Volumenveränderung stattfindet (Isochoren), welche von besonderem Vorteil (z.B. für die Verbrennungsphase) sein können.

Die Ausführung nach dem Beispiel der Fig. 2 bringt mit sich eiiic Reihe vor. Vorzügen, deren wichtigste folgende sind:

1. Ungewöhnliche Ersparnis an Bauraun und Material» Wie aus der Figur ?. ersichtlich ist, steht der nützliche Arbeitsraum der Maechi:e in einem sehr günstigen Verhältnis zu dem Gesamtraum der Maschine. Etwa 1:8.

2. Ungewöhnliche Vereinfachung der Konstruktion und entsprechende Erniedrigung der Kosten für die Herstellung, die Montage, die Instandhaltung und die Reparatur des Motors. Der ganze "Vierzylindermotor" besteht aus insgesamt vier leicht herstellbaren Teilen, nämlich den unbewegten Teil, den Rotor und die zwei Kolben mit deren Stiften.

3· Ungewöhnliche Erniedrigung der Reibungsverluste. Auf die Kolben

erscheinen ausschließlich Axialkräfte, sodaß sie praktisch :^;!. dem j

Zylinder "schweben", und die Reibung auf das zur Abdichtung nötige ^s

Minimum reduziert wird. ^!

h. Ungewöhnliche Möglichkeiten zur Anpassung des Zeitgesetzes für die Volumenänderung des Arbeit.sraumes an den Anforderungen der Reaktionskinetik und der Thermodynamik. Dadurch erreicht man einen besseren Wirkungsgrad und weniger schädliche Abg£ise.

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Die Kncf.hi no r3cr Fir· <-' weint ein hohen Verhältnis ihrer Länge zu ihrem Durchmesser auf, üci vier Arbeitern''jrne hintereinander eingeordnet sind. Will man die Länge der Maschine reduzieren, so muß man sich auf nur zwei Arbeitsräume beschränken. Dies kann nicht einfach durch die Verwendung nur ■ eines Doppelkolbens (also der "Hälfte" der Maschine der Fig. 2) erreicht, da die Beschleunigung der oszillierenden Masse nicht kompensiert und zu starken Erschütterungen führen wird. Es muß dafür gesorgt werden, daß zwei gleiche Mascen immer eine entgegengesetzte lineare Bewegung ausführen.

Fig· 3 zeigt in Längsschnitt eine solche "Zweizylindermaschine". Die Kolben 1 und 2 führen deswegen eine stets entgegengesetzte Bewegung, weil ihre Führungsstifte 3 und k um 90° versetzt sind. Beide Stifte sind in der Mitte geteilt, so wie es am Stift 3 klar zu erkennen ist, damit ein Vorbeifahren möglich ist. Auf der Zylinderwand sind vier Schlitze 5, 6, 7, 8 angebracht, die als Flachführungen für die Stifte dienen. Beide Stifte werden allerdings von der gleichen Kurvenführung geführt, was eine eJr.fachere und raumsparende- Fonctruktion erlaubt-.

Eir. weiterer Vortt-il dieser Ausführung besteht darin, daß sie einen zusätzlichen Arbeitsraum aufweist. Pas ist der zwischen beiden Kolben abf-c-schlOEr;ene R&um 9i der zwar alt- Verbrennungskammer ungeeignet ist, dessen periodische Volumenänötrung aber (um jeweils dar. Dopiieite der Volu;::enär:derung jedes uer zwei Arbeitsräume) sich für andere Zwecke (z.3. Auflaöung-skompressor) verwenden läßt.

Eine weitere Bauraumerroarnis basiert auf folgender Überlegung: Da in deir. 1. Ausführungsbeispiel der Kolben der Maschine nicht zur Kräftezerlegung benutzt wird (die sonst von dem Kurbelgetriebe auferlegt wird), braucht seine Höhe nur auf ein- Mindestmaß reduziert zu werden, das zur Einbringung der Dichtungsringe benötigt wird. Diese Tatsache kann ausgenutzt werden, um neben jeden primären einen sekundären Arbeitrraum auszubilden

In Figur K ±pt eine solche Maschine im Längsschnitt gezeichnet. Der in seiner Höhe sich auf eine Platte reduzierte Kolben 1 stützt sich auf den rii.*irun£-cEtift 2 mittels des Schaftes 3- An der Zylinderwanc ist die Trennwand k ausgebildet. Der Schaft 3 durchdringt die Wand *f durch eine Bohrung. Dichtungsringe auf der Innenfläche dieser Bohrung angebracht, dichten äcn Schaft 3 während reiner Hubbewegung durch die Wand ^f. Dadurch

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ist neben dem Hauptarbeitsraum 5i ein Sekundärraum 6 entstanden·, der eine fast (bis auf den durch den S-chaft selbst in Anspruch genommenen Kaun) gleich große nutsbare Volumenänderung aufweist.

Ohne wesentliche änderung des Gesamtbauraumes der Maschine ist dadurch beina eine Verdoppelung ihres nützlichen Arbeitsraun.es erreicht, sodai? das Verhältnis Nutz- zu Gesamtvolumen etwa 1:4 beträgt. Die Maschine dur Fig. A mi ihren zwei einzigen oszillierender; Teilen ist eine "AchtL-.ylindermaschine", d für einen Nutzraum von 2 1, einen Eauraum von etwa 8 1 in Anspruc:. r.ehrren v;ii

Die Beladung der Sekundär- wird ähnlich wie die der Hauptarbeitsräuine durch öffnungen an der Zylinderwand geregelt. Je nach Bedarf die neuentstandener: Arbeitsräume können als neue Brennkammern verwendet werden oder Zusatzfunktionen zu der Hauptarbeitsräumen übernehmen (z.B. Luft vorkor .-y.-ression, Abgasnachexpansion) oder schließlich ganz unabhängig arbeiten (r.r. air· Pumpen für Brennstoff, Schmier- und Plühlmittel) .

Wie aus der Fig. 2, 3 und k ersichtlich ist, weisen Kaschiric::· ru ·. ülesei. Ausführungsbeispiel eine zylindrische äußere Forr; auf, sodai: sie (ül-.r.lich wie die Elektromotore) an sich eine "Verdickung" ihrer eiger.tr, V;c"..t darstellen, wobei alle ihre bewegten funktionellcn Teä.le vollkorrjser: ry-ui et riech um ihre Achse angelegt sind. Daher verursachen diese Kasc-.hi: er: ei: XiniK.u.·: an Erschütterungen, sodaß sie besonders für Anwendungen gecirnci cir.d, Dei denen ein möglichst erschütterungsfreier Lauf wie z.E. bei Fl'a^ze j£T.:otcren erwünscht wird.

2. Ausführungsbeispiel

Fig. 5 zeigt eine Ausführung, in der die Hubbewegung des Kolbens 1 von der Kurbel 5 über die· Kardangelenke 3 ^un(l 4 herbeigeführt wird. Dabei führt der Kolben gleichzeitig auch eine Rotationsbewegung aus, die über den Stift 6 und die Rollen 7, die in den Schlitzen 8 gleiten, zu der Rotatic-'isbewegunr der Zylinderwand 9 umgesetzt wird. Dadurch kann die öffnung 10 die Eelariun·; der Maschine regeln, indem sie periodisch die entsprechende!: Kar-üle des unbewegten Teils trifft.

Mechanische Energie kann über der. einen oder beiden Achser. 2 üno 1„ zu der Maschine :-.ufeführt oder, wenn es sich um einen Motor nanciolt, von ihr abgeführt werrtc'Ti. Das bc;so^dc-re I'prkmal der Konr.truktior. s.·c-.·-,i t ί-1 dirir:, dcii:· d J c Lün^;o eir-r i!u;,lic:we(;;"rifj <>'-·'<■ i'l'luiii; ι;ικϊ :.<).·■.j I. ;uä<:h d i · !«-i; I :·■;· ι\ι·<

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ORIGINAL /NSPECTEI> ^{BAD 0RIGIN}4L

Mn;;-h i nc durch aie relative Lage der Achsen 2 und Π bestimmt wird. Beide Afli.-.cn I ic| (>i! au C dor /gleichen Kb ο nc· (die z.uRle±rh die Zoichnungeebene der Fig. 5 ist), können aber unterschiedliche Winkel zueinander bilden. Liegen beide Achsen auf der gleichen Gerade, so verschwindet die Hubkomponente der Bewegung des Kolbens. Kolben und Zylinder rotieren ohne Änderung des Volumens des Arbeitsraumes. Werder, die zwei Achsen gegeneinander verlegt, so erscheint zusätzlich zu der Rotation auch ein Hub des Kolbens, der desto langer wird, je mehr der Winkel, der die beiden Achsen bildet, sich vergrößert.

In dor Fig. 5 sind beide Achsen so weit zueinander verlegt gezeichnet, daß die iiaximale Hublänge resultiert. Stellt man sich vor, daß das Lager 12 sich auf der Zeichnungsebene um die senkrecht zu ihr stehende Achse 13 f;eure::t wird, so erkennt ir.an, daß die Kublänge inmer kleiner wird, je mehr die- Kurtelachse sich der Drehachse- des Zylindern nänert. Treffen beide /.cl.rc:. r.uf einanricr, cc h'.'rt die Kuhbewegung vollende auf, und der Kolben i-lei!·: rotierend "<,nbewe£·:" etv.-& ij. der Kitte ceir.es VJeges. iveur. das Lager 12 über riesc- Stelle ,'-inüber bewegt wird, erscheint err.eut cie l^abbevjegur^ ^ller;Jii;£:s riit einer Phasenverschiebung von 1δθ° zv- de-r vorheriger:. Die-r-e VerLir.ücrurig; wird je nac!. Vervrendung der liaschine er.tweöer fUr oie Umkehrung de/ FlufrriLchtung des Arbeitsfl'iiitluinc (s.B· in ei: e:' Zirlrulctionspumpe) oder zur UcLtifehrurig der Drehrii-htuug: der Maschine nach se (z.E. Preßliiftmotor) aucgenutst.

VJird die Rotation der Kurbell ach se ? nicht weitergeführt (mechanische Arbeit wird nur über die- Welle 11 geführt), so ist. die Ree Id sieruiig oer verstellbaren Lagerung nicht besondere problematisch. Wenn aber dif? Rotation weitergeführt wird, dann muß eine entsprechende Ausführung es zulassen. In Fig. ist eine solche Ausführung gezeichnet. Die Zeiclmungsebene steht senkrecht r,u der Ebene der Fif· 5, -sodaß die weiterführende VJelle 13 klar zu erkennen ic:-. (Die IJunurierierurig ist i'uni l-esfieren Verstäridr.is gleich wie in Fig. 5 r;c:.Kiter>). Das Zahnr^upaar l^i überträgt die Rotationsbewegung an der Kurbelachse 2 auf die Welle 13· Da das Lager 12 große (senkrecht zu der Achse 2 wirker.de auch außerhalb der Zeirhnungseber.e liegende) Kräfte cuf-Zb^ehaer. hat, ist gegen eine unbctbnichtigte Schvienkung durch die Ver-Sf-h::unr 15 ur.d die- Schnecke l6 ah ^e si chert. Drehen der Schnecke 16 führt acc Lare:· 12 ij> eine neue Pocitioi. und verändert so:· it die Leistung und die. ArLeitsrichtung de:- Kas-.h\nc .

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Die Übertragung der Drehbewegung von der Achse 2 auf die Welle 11 über den' Stift 6, die Rollen 7 und .die Schlitze 8 erlaubt, daß für jede Umdrehung der Zylinderwand der Kolben sich einmal hin und einmal her bewegt, sodaß eine Maschine solcher Ausführung für ein Zweitaktarbeitsprinzip geeignet wäre, also für Pumpen, Kompressoren oder Hydraulik-, Dampf-, Druckluftmotoren sowie Zweitakt Verbrennungsmotoren. Diese Übertragung abe-r kann statt über den Stift 6 und die Schlitze 8 über die Welle 13 auch außerhalb der Maschine durch gewöhnliche Elemente (Wellen, Zahnräder, Ketten etc.) erreicht werden. In diesem Fall reicht der Stift 6 nicht außerhalb des Durchmessers des Kolbens, die Schlitze 8 existieren nicht, und die Rotatior. der Zylinderwand kann eine andere WinkelgeDchwindigkeit als die des Kolbeiie

"aufweisen. . In diesem Fall kann man durch eine Übertragung 1:2 auch den Viertaktprinzip realisieren, indem eine Umdrehung·, der Zylindervand auf

. vier Eubbewegungen des Kolbens entspricht.

Da die Änderung der Stellung des Kurbellagers izxig-ehindert stzA t/inden harr,, auch wenn die Maschine voll in Betrieb ist, körnen ILonsi ruktiore ·: üaeh , diesem Ausführungsbeispiel ihre Leistung kontinuierlich und unat· 'iri£±r vorder Drehzahl variieren, ja sogar ohne Unterbrechung (Auskoppolr.) ihre Arbeitsrichtung umkehren. Diese Eigenschaften stellen Yorzi'.rc giöL'Li.j· Bedeutung dar für eine Rei} e von Anwendungen wie z.B. für Pur..pcr. regelbarer Leistung oder Land- bzw. War:sorfahrceuge, bei denen dar: Schaltgetriebe entfehlt.

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Claims

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Prodroirios Bekiarcglou Patentansprü ehe

Kolbenmaschine mit zylindrischem Arbeitsraum insbesondere für die Verwendung als Kraftmaschine und/oder als Beiörderungsmaschine für Gase und Flüssigkeiten und/oder Verdichtungsmaschine für Gas· , dadurch ■-gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand und/oder die Decke des Arbeitsraumes um die eigene Achse rotiert.

2. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Öffnung oder öffnungen an der Zylinderwand und/oder -decke angebracht, während der Rotation in periodischem Kontakt mit entsprechenden Kanälen der· unbewegten Teils de:¹ Maschine treten und dadurch das Ein- und Ausströmen des Arbeitsrüediums über dieselben oder 'unterschiedlichen öffnungen cteue

3· Maschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, c'&h αϊ·_· öffi-ui-ge-n der Zylinderwand und/oder -decke während eier Rotc.tioi: pt-rict· - --ei: öie geschlossene Viand det? unbewegten Teils der Maschine treffen, sea:'!; je nach Bewegungsrir.htung der. Kolbens Kompression bzw. Exy.r.-nsio; der in dem Arbeitsraum befindlichen Gaces erfolgt.

^f. Maschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daE die Öffnungen der Zylinderwand und/oder -decke während der Rotation periodisch. Vorrichtungen für eine zusätzliche Eii-fuhr eines Fluidums oder Zündung des Gasgemisches treffen.

5· Maschine nach Anspruch 1 bis h dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen der Zylinderwand und/oder -decke einen kreisförmigen oder in ihrer Laufrichtung länglichen Querschnitt aufweisen.

6. Maschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß ei if- öffnungen der Z.ylir-derwand und/oder -decke sich gegenüber dem unbewegi en Teil der Maschine durch einen oder mehrere hoiiiozentrische Dichtungsringe abdichte die kreisförmig, oval oder polygon sind und in entsprechende:". Vei— tiefungen der Zylinderwand und/oder -decke um jede öffnung eingelassen und durch eigene Elastizität oder durch darunter befindlicher. Federn gegen den unbewegten Teil der Maschine gedrückt werden.

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nach Anspruch 1 biß 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen d(.'x· Zyliiuierwarid und/oder -d^cke /sich gegenüber dem unbewogton Teil der Maschine durch Dichtungsringe abgedichtet werden, die auf beide Sueiten der öffnung um den vollen Umfang des Zylinders und/oder der Decke reichen, wobei der zwischen ihnen bleibende Raum durch. Dichtungsstäbe oder -rollen abgedichtet wird.

8. Maschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtungselemente nicht auf der Außenfläche des rotierenden sondern der Innenfläche des unbewegten Teils der Maschine eingelassen sind und durch Federwirkung gegen den rotierenden Teil gedruckt werden.

9· Maschine nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß die Laufflochen der Zylinderöffnungen auf dem unbewegten Teil der Maschine als Gleit- oder Nadellager ausgebildet sind.

10. Karchir.c nach Anspruch 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Maschinenkolben f.u.':er der Hubbewegung ebenfalls eine Rotation ujt. die eigene Achse .T.it gleicher oder unters'hieiliclier Winkelgeschwindigkeit wie die Tylirdervrand vollführt.

l"l. Kar-chine nach Anspruch 1 bie IC dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation der fyliuderwand für die Bewegung des sie umgebenden Fluidums verwendet wird als Pumpe, Gebläse, Turbine und Verdichter.

12. Maschine nach Anspruch 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß durch Anbringung zusätzlicher öffnungen diametral zu den bestehenden eine um die Hälfte verkleinerte Taktzahl der Maschine erreicht wird.

13. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 bis 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Zünd- und/oder Einspritzanordnung auf der von der Öffnung durchlaufenen Spur angebracht sind, sodaß Zündung und/oder Einspritzung nur während des Vorbeifahrens der öffnung möglich ist.

]A. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 bis 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Zündung durch einen periodischen oder ständigen Funken und/oder eir.e glühende Stelle und/oder einen Katalysator erfolgt.

15. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 bis l*f dadurch gekennzeichnet,

daß die Zündung- axis der Zylinderseite und/oder der Decke des ■ VcrLrenrLungsraur.:es erfolgt.

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l6. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 bis 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennung durch intermediäre zusätzliche Lufteinfuhr in zwei Phasen erfolgt.

17· Maschine nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Drehbewegung des.Zylinders auf die Hubbewegung den Kolbens dadurch erfolgt, daß Flachführung oder -führungen auf dem Zylinder sowie Kurvenführung oder -führungen auf dem unbewegten Teil der Maschine angebracht sind, in denen ein oder mehrere auf den Kolben befestigte Stifte gleiten-.

l8. Maschine nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß die Flachführung an dem unbewegten Teil und die Kurvenführung an der Zylinderwand eingelassen ist.

19· Maschine nach Anspruch 1 bis 18 dadurch gekennzeichnet, da.C die in den Flach- und/oder Kurvenführungen gleitenden Teile rnii einfachen oder doppelter. Sollen oder Rollenreihen versehen sirrd.

20. Maschine nach Anspruch 1 bis 19 dadurch gekennzeichnet, ca!? die Flach- und/oder Kurvenführungen statt als Vertiefungen oder Einschnitte als Erfhöhungen oder Leisten ausgebildet sind.

21. Maschine nach Anspruch 1 bis 20 dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Führungsflächen der Kurvenführungen Fräser und/oder Schleifscheiben verwendet werden, die den gleichen Durchmesser haben, wie die Teile die auf dieser Fläche laufen werdön und senkrecht zu dem zu bearbeitenden Teil gehalten werden, während gleichzeitig eine relative Dreh- wie Hubbewegung ausgeführt wird, die durch eine bereits hergestellten gleichen Flache gesteuert ist.-

22. Maschine nach Anspruch 1 bis 21 dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung des Kolbens nach der zweiten bzw. höheren Potenz oder ■nach exponentieller Funktion der Zeit verläuft.

23. Maschine nach Anspruch 1 bis 22 dadurch gekennzeichnet, daß- zu einer Umdrehung der Zylinderwand eine gerade oder ungerade Anzahl von Hubbewegungen des Kolbens mit gleicher oder unterschiedlicher Hublänge und/oder Zeitdauer entspricht.

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2^f-. Ma;,chine nach Arisprucn 1 bi/s P'3 uadurch gekennzeichnet, daß aui' der Rotationsachse zwei Kolben gleicher Masse sich immer in entgegengesetzter Richtung bewegen.

25- Maschine nach Anspruch 1 bis Zk dadurch gekennzeichnet, daß für die Bewegung zwei gleicher Kolben dieselbe Kurvenführung verwendet wird, auf der um 90° versetzt die Kolbenstifte sich stützen.

26. Maschine nach Anspruch 1 bis 25 dadurch gekennzeichnet, daß die Vo] urnenveranderung des' zwischen den zwei Kolben sich bildenden Eauir.es für die Aufladung der Maschine verwendet wird.

27. Maschine nach Anspruch 1 bis 2k dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kolben zu eines- Do2>pelkolben ausgebildet wird mit zx^ei Arbeitsflächen, sodaß zu zwei Kolben-vier Arbeitsräume entsprechen.

':■.,. ]'.:*3chine nach Anspruch 1 bis 2/ dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche des Kolbens nicht an ihre Peripherie sondern an ihre Mii.te auf einer, oder mehrere Schäfte gestützt wird, die auf den I· iü.rumjsstift oder den Führungsstiften befestigt sind.

29· .'.aechirie nach Anspruch 1 bis ?S dadurch gekennzeichnet, daß auf ;:er Z-y linderwand -eine oder mehrere Trennwände ausgebildet sind, durch denen die Kolbenschäfte abgedichtet hin und her laufen, sodaß neben jedem Haupt- ein Hebenarbeitsraum entsteht und zu einen Doppelkolben vier¹ Arbeitsräume entsprechen.

30. Verbrennungsmaschine nach Anspruch 1 bis 29 dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenarbeit er äuine :lie volle Funktion eines Verbrennungsraumes übernehmen,oder als Hilfsarbeitsräume zur Vorverdichtung und/oder Kachexpansion der Gase der Ilauptarbeitsräume verwendet v/erden, oder ganz unabhängige Funktionen ausführen.

31. Maschine nach Anspruch 1 bis 30 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einheiten von jeweils zwei Kolben hintereinander auf derselben Rotationsachse angeordnet sind und/oder parallel zueinander um eine gemeinsame Welle gruppiert werden.

32. Maschine nach Anspruch 1 bis l6 dadurch gekennzeichnet, daß die Hubbewegung des Kolbens durch eine Kurbel und zwei Kardangelenke erzeugt vird, wobei der Kolben auch eine Rotationsbewegung durchführt.

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33· Maschine nach Anspruch 1 bis l6 und 32 dadurch gekennzeichnet, daß Stift oder Stifte auf den Kolben fixiert in Schlitzen der Zylinderwand ■ parallel zu ihrer Achse gleiten, sodaß die Rotation des Zylinders und die des Kolbens synchron sind.

3^·· Maschine nach Anspruch 1 bis 16, 32 und 33 dadurch gekennzeichnet, daß ι die Rotation der Zylinderwand unabhängig der Rotation des Kolbens erfold sodaß zu einer vollen Umdrehung der Zylinderwand zwei volle Hubbewegunge des Kolbens entsprechen und eine Viertaktfunkticn möglich ist. ι

35· Maschine nach Anspruch 1 bis 16 und 32 bis 3¹+ dadurch gekennzeichnet, daß die relative Lage der Kurbelachse zu der Zylinderachse sich während des Betriebes ändern läßt, sodaß die Hublänge ur.d somit die Leistung und die Arbeitsrichtung der Maschine variabel ist.

36. Maschine nach Anspruch 1 bis l6 und 32 bis 35 dadurch gekennzeichnet. daß die Veränderung der Lage der Kurbelachse.· durch eine Scr^e-cke u:-d Verzahnung erreicht wird.

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