DE4210712A1 - Rotationsmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rotationsmaschine, insbesondere der Art, welche für Verbrennungs­ motoren, Kompressoren, Vakuumpumpen und ähnlichem angebracht sind.

Die Erfindung bezieht sich besonders auf eine Rotationsmaschine, welche für die genannten Anwendungen spezifisch angebracht ist und, durch Ausnutzung der bekannten Kompression und Expansionswirkungen von flüssig bzw. gasförmigen Körpern im Innern von Kammern mit veränderlichem Rauminhalt, einem neuartigen Funktionsprinzip entspricht welcher, in die Praxis durch teilweise Veränderungen von gewissem Zubehör der gesamten Maschine versetzt, die verschiedenen oben erwähnten Ausführungen herzustellen erlaubt.

Die funktionelle Gestaltung dieser Erfindung verbleibt an sich gleich, unabhänging ihrer Anwendung auf irgendwelche der genannten Ausführungen. In diesem Sinne und berücksichtigend, daß diese Beschreibung so klar wie möglich ist, wobei die letzten Ausführungsmöglichkeiten dieser Maschine dargelegt werden sollen, wird die Erklärung ihrer Merkmale auf Grund einer ihrer komplexesten Ausführungen bewerkstelligt, d. h. als Verbrennungsmotor. Natürlich verhindert dies nicht die Möglichkeit, die anderen genannten Ausführungen in Angriff zu nehmen, da sie alle einfacher sind, und auf demselben Funktionsprinzip basieren.

Die neuartige bauliche und funktionelle Ausführung der Maschine der vorliegenden Erfindung bewirkt Ergebnisse, welche bis jetzt von keiner der bekannten und patentierten Rotations­ maschinen erlangt worden sind. Im Falle der Anwendung auf die Ausführung welche beschrieben wird, also auf Verbrennungsmotoren, erhält man z. B. ein besseres Verhältnis Gewicht/Leistung, einen größeren Thermodynamischen Wirkungsgrad und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Brennstoffe, außerdem führt die Behandlung der Gase zu weniger Umweltverschmutzung, sowie zu weiteren Vorteilen, welche entlang dieser Beschreibung eingehend angegeben werden.

Das Betriebsprinzip der Maschine dieser Erfindung basiert darauf, daß die Kammern veränderlichen Volumens während der Drehungen des Rotors im Innenteil der entsprechenden radialen Zylinder desselben entstehen, in besagten Zylindern sind entsprechen­ de freie Kolben beweglich angebracht, dessen Hübe durch eine äußere Spur oder Laufbahn geleitet werden, welche vorzugsweise elliptisch ausgeführt ist. Besagte Kammern verbinden sich mit Öffnungen oder Kanälen mit dem Zentralkern des genannten Rotors, um die Zuführungs- und Austrittsströmungen herzustellen. Die genannten Kolben sind, wie gesagt, frei, d. h. sie haben nicht das konventionelle Zubehör, wie z. B. Kurbelstangen, Bolzen, usw., wobei auch keine Kurbelwellen benötigt werden, sowie auch keine anderen mechanischen Vorrichtungen zur Verbindung mit der Rotorachse, da diese Achse und der Rotor unter sich solidarisch verbunden sind.

In der Ausführung dieser Maschine als Motor, von der Lage größter Nähe der Kolben zum Kern, bewegen sich diese radial nach außen durch Zentrifugalkraft in der Zuführungsphase, wodurch ein innerer Unterdruck erzeugt wird, welcher nacheinander in jeden Zylinder die Mischung Luft/Brennstoff einzieht, durch entsprechende Öffnungen, welche in einem fixen Zentralrohr, konzentrisch zum Rotor, angebracht sind. Dieses Rohr nimmt auch getrennt die durch die Verbrennung erzeugten Gase auf, durch die Austrittsöffnung, nach Anfang der Verbrennung, welche von den mit dem Zylinder verbundenen Zündelementen angezündet wird; der Expansionshub wird zur Drehbewegung des Rotors genutzt, durch Reaktion des Kolbens auf die Spur oder Laufbahn, worauf sich der Kolben äußerlich gemäß einer schiefen Ebene stützt.

Der bessere thermodynamische Wirkungsgrad wird dadurch erhalten, daß die Zuführung der Brennstoffmischung durch den Motorkern fließt und nach einer Strecke von thermischem Austausch in die Zylinder einströmt, wobei der Kern abgekühlt und die Zuführung angewärmt werden, dadurch einen Verlust an Rauminhalt verursachend, welcher praktisch vernachlässigt werden kann für einen Motor von so vorteilhaftem Gewicht-Leistung Verhältnis, besonders wenn dies mit einer Wärmeleistung vorfällt, welche durch Erwärmung der Zuführung das Doppelte des vorigen Verlustes hervor­ bringt (Versuche der Shell Laboratories, England).

Die Einführung durch den Kern des Rotors ermöglicht das Ausschleudern der Zuführung und so die Belastung zu stärken, so die charakteristische Füllungswirkung überbrückend, ohne Verteilungs-′ Kreuzung′ und auch nicht ′ram-jet′ -Effekt, welche die nicht verbrannte Mischungsflucht verursachen.

Die Ausschleuderung erreicht eine korrekte Turbulenz und ergibt eine stufenweise Schichtung der Belastung in den Kammern, wo ideell die Verbrennung anzündet mit einer reichen Mischung in der Nähe des Umfangs, vermittels zwei Flammenfronten welche sich zur armen Mischungszone fortpflanzen, so eine perfekte Verbrennung erreichend.

Der Reibungskoeffizient der gesamten Einheit ist sehr niedrig, und das hat die Einteilung in Zonen der geschmierten Teile ermöglicht.

Die Austrittsgase, noch in Flammen, an den Austritten der Auspuffleitungen des Kernrohres, vereinigen sich mit der von der Kühlung kommenden Luftströmung, wo mit diesem Luftzuschuß die gänzliche Nachverbrennung der Giftgase gesichert wird wobei die Stickstoffoxide bis zu 60% erniedrigt werden, welche gleich nach Kühlung der Gase erzeugt werden.

Um die so kurz besprochenen Vorteile konkret zu gestalten, wobei die Benützer und Techniker der Branche viele weitere Vorzüge beisteuern könnten, und um das Verständnis der baulichen und funktionellen Merkmale der neuen Rotationsmaschine zu erleichtern, wird nachstehend ein bevorzugtes Beispiel einer Ausführung beschrieben, und in den beiliegenden Zeichnungen abgebildet, wobei ausdrücklich klargestellt ist daß, da es sich gerade um ein Beispiel handelt, es hier nicht angebracht ist, das Beispiel in einem begrenzenden oder ausschließenden Charakter zu deuten, in Bezug auf die Reichweite des Schutzes der Erfindung, sondern daß hiermit nur die Grundsätze derselben erklärt und veranschaulicht werden.

In den beiliegenden Zeichnungen:

Abb. 1 ist ein schematischer Schnitt einer Rotationsmaschine, in ihrer Ausführung als Verbrennungsmotor, wo das äußere Gehäuse nicht abgebildet ist;

Abb. 2 ist eine Ansicht gemäß Schnitt II-II der Abb. 1, aber das äußere Gehäuse miteinbezogen;

Abb. 3 zeigt eine schematische Perspektive des Rotors;

Abb. 4 ist eine Perspektive-Ansicht des Zuführungs- und Auspuffsrohres, gemäß eines der möglichen Ausführungsbeispiele; und

Abb. 5 umfaßt acht Ansichten im Schnitt wie in Abb. 1, die Lagen in jedem Achtel Umdrehung zeigend, um die Ausführung des Funktionskreislaufs des Verbrennungsmotors zu erklären.

In allen Abbildungen entsprechen gleiche Bezugsziffern denselben Teilen oder Elementen, welche die Maschine ausmachen.

Wie man in, den Abb. 1 und 2 sehen kann, besteht die Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem Rotor 1, vorzugsweise in Form eines Kreuzes mit vier rechtwinkligen und gleichen Armen, so wie man es auch in der Abb. 3 sehen kann, wobei besagter Rotor mit einer Austrittsachse 2 solidarisch verbunden ist.

Der genannte Rotor bat vier zylindrische Hohlräume 3 radial angebracht in entgegengesetzten Paaren, geöffnet an ihrem äußeren Ende und innerlich mit dem zentralen Teil des Rotors 1 durch die Öffnungen 4 verbunden.

Im Inneren besagter zylindrischer Hohlräume 3 sind je ein Kolben untergebracht 5, mit entsprechenden verschließenden Kolbenringen 6 konventioneller Bauart, wobei ein jeder der besagten Kolben 5 an seinem äußeren Ende einen Schlitten oder Gleitelement 7 hat, welcher mit der inneren Fläche einer Spur oder Laufbahn 8 in Kontakt ist, wobei besagte Spur vorzugsweise elliptisch ist, und mit dem Gehäuse 9 starr verbunden ist, Gehäuse welches den äußeren Körper der Maschine ausmacht.

Zwischen den zylindrischen Hohlräumen 3 und der inneren Seite der Kolben 5 werden die bekannten Kammern mit veränderlichem Volumen bestimmt, in deren Innern die konventionellen Phasen der Verbrennungsmotoren ausgeführt werden: Zuführung - Kompression - Explosion/Expansion Auspuff.

An beiden seitlichen Oberflächen des Rotors 1 sind mehrere Rippen 10 angebracht, zwecks Wärmeverflüchtigung und auch, wenn sich der Rotor dreht, zur Funktion als Schaufeln eines Zentrifugallüfters, dadurch einen Luftzug hervorrufend, welcher von außen durch die Öffnungen 11 eintritt, welche im Gehäuse 9 vorgesehen sind, und durch innere Lenkplatten 12 geleitet wird, so die Gesamtheit des Rotors abkühlend, die heiße Luft strömt durch andere Öffnungen 13 heraus, auch im Gehäuse 9 angebracht, welche mit der Drehebene des Rotors übereinstimmen. Es ist möglich, einen Sammler an der Außenseite des Gehäuses 9 anzubringen, um den heißen Luftstrom nach außen zu leiten, oder sonst an irgend­ einen anderen wünschenswerten Platz.

Im Kernteil des Rotors, genauer gesagt in seinem zylindrischen Hohlteil, ist ein fixes Rohr 14 angebracht, das Öffnungen 15 und 16 hat, welche zur Zuführung und Auspuff dienen, wobei besagtes Rohr mit einer teilenden Zwischenwand 17 ausgestattet ist, wie man in Abbildung 4 sehen kann, mit in entgegengesetzten Richtungen abgebogenen Enden, so daß der innere Hohlraum des Rohrs 14 in zwei innere Teile 18 und 19 unterteilt wird, ohne Verbindung unter sich, welche jeweils die Zuführungs- und Auspuffstrecken bestimmen. Es ist hervorzuheben, daß diese innere Unterteilung des Rohres 14, sowie auch die dadurch eingeführte Funktion, durch andere Ausführungen ersetzt werden können, welche die Kreisläufe der Zuführungs- und Auspuffgase unabhängig zueinander gestalten. So ist die Erfindung nicht ausschließlich durch die oben ausgeführte Option bedingt.

In den zylindrischen Hohlräumen 3 ist ein Zündelement oder Zündkerze 20 angebracht, wobei es auf der Hand liegt, daß dies Element in jedem Zylinder verzweifacht werden kann, in der schon bekannten Weise der Verbrennungsmotorentechnik.

In Abb. 5 werden die verschiedenen Lagen oder Stellungen des Rotors schematisch dargestellt, dabei nur für einen Kolben, in graphischer Darstellung für jedes Achtel Umdrehung des Rotors, so die Kammern veränderlichen Hohlraums herstellend welche, im hier beschriebenen Beispiel, die charakteristischen Etappen eines Viertaktkreislaufes ausführen, wie nachstehend beschrieben.

Im Schema I ist der Kolben 5 am unteren Totpunkt im entsprechenden Zylinder, und die Öffnung 4 des besagten Zylinders ist durch den Teil des Rohres 14 blockiert, welcher die Zuführungs- und Auspufföffnungen teilt. Der Kolben ist in dieser Lage, weil die Spur oder Laufbahn 8, welche den Kolben entlang des Zylinders vermittels des Schlittens oder Gleitelements 7 leitet, in einem der zwei Punkte ist, welche der Rotorachse am nächstgelegenen sind.

Wenn nun der Rotor ⅛ Umdrehung im Sinne des Pfeiles macht, siehe II, scheidet der Kolben, durch Wirkung der Fliehkraft, vom unteren Totpunkt des Zylinders ab, wobei ein Unterdruck oder Ansaugung in der Öffnung 4 hervorgebracht wird, welche durch die Drehung schon nicht mehr blockiert ist, sondern gegenüber der Zuführungsöffnung 15 des fixen Kernrohres 14 ist, wodurch die Brennmischung frei in den Zylinder eintreten kann und die Kammer veränderlichen Hohlraums 3 ausfüllt bis der Kolben den Höchstwert seines Hubes erreicht, siehe III, so den höchsten Hohlraum in der Kammer 3 erreichend, nun gänzlich durch die Brennmischung besetzt. Dies macht den Zuführungszyklus aus, und man sieht daß bei Beendigung dieser Phase die Öffnung 4 des Zylinders durch die Wand des Rohres 14 blockiert wird.

Bei weiterer Drehung des Rotors, bewirkt die Spur oder Laufbahn 8 daß der Kolben 5 die Brennmischung verdichtet, so wie es Schema IV darstellt, bis das kleinste Volumen der Kammer erreicht ist, welches bei dem angewandten Brennmischungstyp möglich ist, wie in V zu sehen ist, an dem Moment erfolgt die Zündung vermittels der Zündkerze 20 mit nachfolgender Explosion, wodurch die nächste Etappe der Expansion eintritt, mit entsprechender gänzlicher Verbrennung der Mischung. Bei der Explosion der Gasmischung, erweitert sich diese und treibt den Kolben 5 gegen die Spur oder Laufbahn 8 an, siehe VI, welche wie eine schiefe Ebene wirkt und die Drehung des Rotors in Pfeilrichtung ergibt, durch Wirkung der Reaktionskompo­ nente des Gleitschlittens 7, bis der maximale Hub erreicht ist, wie in Schema VII gezeigt, welcher mit dem Anfang der Gegenüber­ stellung der Öffnung 4 des Zylinders und der Auspufföffnung 16 des Zentralrohres 14 übereinstimmt.

Von da an beginnt die Austreibung der verbrannten Gase, welche nach außen durch den Kolben angetrieben werden, während der Rotor das letzte Viertel der Drehung durchläuft, wie es Schema VII und VIII zeigen, da hier die Öffnung 4 des Zylinders gegenüber der Öffnung 16 des fixen Zentralrohres 14 verbleibt, bis der Kolben 5 wieder den unteren Totpunkt erreicht, wie es Schema I zeigt.

Alle Kolben des Rotors führen den vorliegend beschrie­ benen Kreislauf aus, in unabhängiger Sequenz.

Die Phasenverschiebungen zwischen den verschiedenen Stellungen des Kolbens in Bezug auf den Momenten, wo die Gegenüber­ stellungen beginnen zwischen den verschiedenen Öffnungen, am Anfang der Etappen, sowie an deren Ende, zusammen mit dem Vorlauf oder Verzögerung der Zündung, werden durch die theoretische und experimentelle Entwicklung des Motors bestimmt, wobei ausdrücklich klargestellt wird, daß die genannten Zustände von den neuartigen Merkmalen der Erfindung unabhängig sind, da der Funktionsbegriff derselbe ist, bei allen möglichen Veränderungen über die Regelung der Verteilung.

Es ist auch zu berücksichtigen, daß die Spur oder Laufbahn 8 wo der Kopf der Kolben 5 aufliegt, so ausgeführt werden kann, daß die maximalen und minimalen Hübe besagter Kolben abge­ ändert werden können, so erreichend wie vorher gesagt, verschiedene Kompressionsziffern während der Motor läuft, und auch eine Anpassung an die verschiedenen Brennstoffgütegrade ohne andere Veränderungen im mechanischen Aufbau. Dafür kann besagte Spur oder Laufbahn aus einem Stahlband oder ähnlichem angepaßten Material bestehen.

Bezüglich der geometrischen Form der Spur oder Laufbahn 8 in ihrer inneren Oberfläche, kann man Änderungen einführen, die auf eine bessere allgemeine Leistung zielen, wobei im beschriebenen Beispiel eine grundsätzlich elliptische Form ausgewählt worden ist.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist zu sagen, daß obwohl das Auswerfen der verbrannten Gase in verschiedener Weise ausgeführt werden kann, ohne die Erfindung grundsätzlich zu ändern, können die Gase durch die Öffnung 4 geleitet werden, wenn sie gegenüber der Öffnung 16 des Kernrohres 14 steht, und dann durch die Auspuffleitung 19 gehen, und zur Außenseite des Rotors 1 durch die Öffnungen 21, welche sich radial durch die Rohre 22 bis zur inneren Peripherie des Gehäuses 9 verlängern, in der Nähe der Öffnung 13. Wahlweise können die Enden besagter Rohre 22 in der Tangente zum Rotor geneigt werden, um Reaktionsantriebe herzustellen, so die Bewegungsmengen der Gase ausnutzend.

In der Praxis kann man den beschriebenen Beispiel der Rotationsmaschine in veränderter und/oder verbesserter Form ausführen, zum Beispiel durch einsetzen von Elementen zur dynamischen Balance, usw.; alle diese Verbesserungen müssen als Ausführungs- Veränderungen angesehen werden, welche im Schutzumfang der vorliegen­ den Erfindung miteinbezogen sind, der grundsätzlich durch die nachfolgenden Patentansprüche festgelegt wird.

Claims (12)

1. Rotationsmaschine zur Anwendung als Verbrennungs­ motor, Pumpe, Kompressor und dergleichen vom Typ, der einen Rotor in einem Gehäuse eingebaut umfaßt, wobei dieser Rotor mit einer Austrittsachse solidarisch verbunden ist, welche aus dem Gehäuse hervorsteht, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Rotor mehrere zylindrische radiale Hohlräume besitzt, in welchen entsprechende Kolben mit freier Bewegung angebracht sind, deren Hübe durch eine peripherische Spur oder Laufbahn begrenzt werden, welche nicht kreisförmig ist und starr mit dem Gehäuse verbunden ist, und die extremen Lagen und Zwischenlagen bestimmt, welche für die Kolben in ihren entsprechenden Zylindern vorgesehen sind; wobei jeder Zylinder an seinem Grund eine Öffnung hat, zur Verbindung mit Zuführungs- und Auspuffkanälen, welche im Kernteil des Rotors angebracht sind und mit dem genannten Gehäuse solidarisch verbunden sind.

2. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführungs- und Auspuffkanäle im Inneren eines an das Gehäuse fixierten Rohres angebracht sind, wobei das Rohr in den Kern des Rotors eintritt und eine innere Teilwand hat, welche die genannten Kanäle unter sich trennt.

3. Rotationsmaschine gemäß Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes an das Gehäuse fixiertes Rohr entsprechende Zuführungs- und Auspufföffnungen hat, welche sich nacheinander den Öffnungen der Zylinder gegenüberstellen.

4. Rotationsmaschine gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auspuffkanal im fixen Rohr in Verbindung mit dem Rotor solidarischen Leitungen ist, welche sich durch an den Rotor fixierten Radialrohren verlängern, welche im Inneren des Gehäuses anwesend sind und ihre Enden vorzugsweise in Tangentialrichtung zu dem vorgesehenen Drehsinn des besagten Rotors gebogen sind.

5. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte peripherische Spur oder Laufbahn eine grundsätzlich elliptische Form hat.

6. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß rings um jeden Zylinder, der Rotor mit Wärme­ vertreibungsplatten ausgestattet ist.

7. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse an beiden Seiten des Rotors Öffnungen hat, welche Mittel zum Eintritt von Kühlungsluft bestimmen.

8. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Gehäuses fixe Platten angebracht sind, welche die Kühlungsluft leiten.

9. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse wenigstens eine Radialöffnung zum Austritt von Luft und/oder verbrannten Gasen aufweist.

10. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest angrenzender Lage zum Boden der genannten Zylinder mindestens ein Zündelement angebracht ist, wie eine Zündkerze, Spritzdüse, usw.

11. Rotationsmaschine gemäß Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der genannten Spur oder Laufbahn regulierbar ist.

12. Rotationsmaschine gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Spur oder Laufbahn aus einem grund­ sätzlich flexiblen Material besteht, unter Stahlband und ähnlichem ausgewählt.