WO2005017319A1

WO2005017319A1 - Ringförmige drehkolbenmaschine

Info

Publication number: WO2005017319A1
Application number: PCT/EP2004/008127
Authority: WO
Inventors: Wolf-Rüdiger Sauer
Original assignee: GELLERSEN HEINZ; Sauer & Gellersen GbR
Current assignee: GELLERSEN HEINZ; Sauer & Gellersen GbR
Priority date: 2003-08-02
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2006-02-02
Also published as: DE10354621A1

Abstract

Eine ringförmige Drehkolbenmaschine zur Verwendung als Pumpe, Kompressor oder Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenraum (17) eines Maschinengehäuses beweglich angeordneten Arbeitskolben (2), und mit verschliessbaren Ansaugöffnungen (6) und Auslassöffnungen (9) für ein Arbeitsfluid wird erfindungsgemäss dadurch verbessert, dass das Maschinengehäuse ein Kolbenraumgehäuse (1) umfasst, welches einen im wesentlichen torusförmigen Kolbenraum (17) umschliesst, dass im Kolbenraum (17) zumindest ein Kolben (2) kreisförmig umlaufend bewegbar ist und dass das Kolbenraumgehäuse (1) mit Trennventilen (10) zum periodischen Abtrennen von Kolbenraumsegmenten (17a, 17b, 17c) versehen ist, wobei die Trennventile (10) mit der Kolbenbewegung synchronisiert sind.

Description

RINGFÖRMIGE DREHKOLBENMASCHINE

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Verwendung als Pumpe, Kompressor oder Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenraum eines Maschinengehäuses beweglich angeordneten Arbeitskolben, und mit verschließbaren Ansaug- und Auslassöffnungen für ein Arbeitsfluid.

Bekannte Kolbenmaschinen arbeiten überwiegend mit hin- und her laufenden Kolben, wodurch bei hohen Drehzahlen große _ Beschleunigungskräfte und relativ starke Vibrationen auftreten. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die auf den Kolben wirkenden Beschleunigungskräfte besser beherrschbar sind als beim Stand der Technik.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass das Maschinengehäuse ein Kolbenraumgehause umfasst, welches einen im wesentlichen torusformigen Kolbenraum umschließt, dass im Kolbenraum zumindest ein Kolben kreisförmig umlaufend bewegbar ist und dass das Kolbengehäuse mit Trennventilen zum periodischen Abtrennen von Kolbenraumsegmenten versehen ist, wobei die Trennventile mit der Kolbenbewegung synchronisiert sind. Auf Grund der kreisförmig umlaufenden Kolben treten hier im wesentlichen nur relativ gut beherrschbar Zentrifugalkräfte auf. Aufgrund der Trennventile können im Kolbenraum Kompressions- oder Expansionsräume abgetrennt werden, wobei durch die erfindungsgemäße Synchronisation der Trennventile die Abtrennung immer dann aufgehoben wird, wenn der Kolben am Trennventil vorbeifährt. In Verbindung mit einer Ansaugöffnung und einer Auslassöffnung sowie einem Ventil, welches das Arbeitsfluid nur in eine Strömungsrichtung hindurchlässt, kann die erfindungsgemäße Kolbenmaschine als Pumpe für Flüssigkeiten und Gase oder als Kompressor für Gase verwendet werden. Durch Hinzufügen einer Kraftstoffeinspritzung und ggf. einer Zündkerze lässt sich die erfindungsgemäße Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor nutzen. Auch eine Verwendung als Wärmepumpe oder Heißluftmotor ist grundsätzlich möglich.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kolbenraumgehause auf seiner radial inneren Seite mit einem umlaufenden Ringspalt versehen ist und dass der oder die Kolben auf dem radial äußeren Rand eines Kolbenrades angebracht ist/sind, welches mit einem Scheibenring-förmigen Abschnitt in den Ringspalt des Kolbenraums hineinragt und mit seiner Drehachse auf einer Antriebswelle sitzt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Kolbenrades wird es möglich, die Bewegungsenergie des oder der Kolben auf die Antriebswelle zu übertragen. Dabei dient der scheibenförmige Abschnitt des Kolbenrades zum Abdichten des umlaufenden Ringspaltes des Kolbenraumgehäuses.

Wenn das Kolbenrad scheibenförmig ist, lässt es sich auf besonders einfache Weise herstellen. Ein Scheibenring-förmiger Abschnitt ist somit ohne besonderen Aufwand enthalten. Andere denkbare Ausführungsformen können aber auch eine Scheibe mit Durchbrüchen aufweisen, so lange im radial äußeren Randbereich ein Scheibenring- förmiger Anschnitt verbleibt. Das Kolbenrad kann andererseits auch als Speichenrad ausgebildet sein.

Auch wenn alle näher erläuterten konkreten Ausführungsformen das beschriebene Kolbenrad enthalten, ist dies nicht zwingend zur Funktion der Kolbenmaschine gemäß Anspruch 1. Im Kolbenraumgehause könnte beispielsweise ein einziger freilaufender Kolben angeordnet sein, dessen Bewegungsenergie beispielsweise magnetisch auf ein außerhalb des Kolbenraumgehäuses angeordnetes Rad oder sonstige Mechanik übertragen wird. Dies würde Probleme mit der Abdichtung des umlaufenden Ringspaltes des Kolbenraumgehäuses erst gar nicht entstehen lassen.

In Ausgestaltung der Erfindung weisen die Trennventile in einem Ventilgehäuse drehbar angeordnete, mit Durchbrüchen versehene Ventilscheiben auf, die im wesentlichen in radialer Richtung in den Kolbenraum hineinragen und je nach Drehwinkel ein Kolbenraumsegment verschließen oder eine Durchgangsöffnung für den Kolben freigeben. Aufbau und Synchronisation der Trennventile mit den Kolben ist jeweils denkbar einfach. Die Trennventile öffnen und schließen, indem die Ventilscheiben einfach immer in eine Richtung gedreht werden. Wenn sich die Durchbrüche der Ventilscheiben mit dem Kolbenraum decken, entsteht eine Durchgangsöffnung für den Kolben. Ansonsten wird der Kolbenraum an der Stelle der Ventilscheibe in Kolbenraumsegmente abgetrennt. Die Synchronisation mit dem Kolben erfolgt in einfacher Weise beispielsweise durch ein Zahnradgetriebe, welches insbesondere die Drehbewegung der Antriebswelle mit einer geeigneten Übersetzung auf die Drehbewegung der Ventilscheiben überträgt.

In einer für die Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor oder Pumpe geeigneten Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass am Kolbenrad ein Kolben und am Kolbenraumgehause ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Trennventil sowie in Bewegungsrichtung des Kolbens nach dem Trennventil eine Ansaugöffnung und vor dem Trennventil eine Auslassöffnung angeordnet ist. Auf Grund der einfachen Ausgestaltung mit einem einzigen Kolben und mit einem einzigen Trennventil eignet sich diese Ausführungsform besonders für kostengünstige Kompressoren oder Pumpen.

Wenn es andererseits auf besonders hohe Förderleistung ankommt, wird eine andere Ausführungsform empfohlen, bei der am Kolbenrad drei Kolben in gleichen Winkelabständen und am Kolbenraumgehause drei mit der Antriebswelle synchronisierte Trennventile in gleichen Winkelabständen angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung des Kolbens nach den Trennventilen je eine Ansaugöffnung und vor den Trennventilen jeweils eine Auslassöffnung angeordnet ist. Diese Ausführungsform ist zwar auf Grund der dreifachen Zahl von Kolben, Trennventilen und Ansaug- bzw. Auslassöffnungen aufwendiger in der Herstellung, erlaubt aber eine höhere Pumpleistung.

Zur Verwendung der Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor wird eine Ausführungsform empfohlen, bei der am Kolbenrad drei Kolben in gleichen Winkelabständen von etwa 120° und am Kolbenraumgehause zwei mit der Antriebswelle synchronisierte Trennventile im Winkelabstand von etwa 120° angeordnet sind, wobei in Bewegungsrichtung des Kolbens vor dem ersten Trennventil eine Überströmöffnung und nach dem ersten Trennventil eine Einlassöffnung vorgesehen ist, die beide durch einen Überströmkanal miteinander verbunden sind, wobei die Einlassöffnung mittels eines mit der Antriebswelle synchronisierten Überströmventils verschließbar ist und vor dem zweiten Trennventil eine Auslassöffnung und nach dem zweiten Trennventil eine Ansaugöffnung angeordnet ist. Die Anordnung von drei Kolben und drei Trennventilen ermöglicht das Ansaugen und Komprimieren von Frischluft sowie die Einleitung der komprimierten Luft durch die Überströmöffnung und den Uberströmkanal in die Einlassöffnung, hinter der nach dem Verschließen mittels des Überströmventils die Verbrennung stattfindet, um dann die Abgase durch die Auslassöffπung hinauszublaseπ. Mit dieser Ausführungsform des Verbrennungsmotors ist eine hohe Zahl von Arbeitstakten pro Umdrehung der Antriebswelle möglich, allerdings kann keine besonders hohe Verdichtung der komprimierten Gase vor dem Verbrennungszeitpunkt erreicht werden.

Wenn eine höhere Verdichtung erforderlich ist, empfiehlt sich eine alternative Ausführungsform, die durch die Maßnahmen gekennzeichnet ist, dass drei in gleichen Winkelabständen angeordnete Trennventile vorgesehen sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben nach dem ersten und zweiten Trennventil je eine Ansaugöffnung vorgesehen ist, dass vor dem zweiten und dritten Trennventil je eine Überströmöffnung vorgesehen ist, dass nach dem zweiten Trennventil eine Einlassöffnung vorgesehen ist, dass die beiden Überströmöffnungen und die Einlassöffnungen jeweils durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Überströmventil verschließbar und durch einen gemeinsamen Uberströmkanal miteinander verbunden sind und dass vor dem ersten Trennventil eine Auslassöffnung vorgesehen ist. Bei dieser Ausführungsform arbeiten jeweils zwei der drei Kolben als Kompressor zur Komprimierung von Frischluft, welche über den gemeinsamen Überströmkanal und die Einlassöffnung in den Verbrennungsraum gelangt. Wegen der doppelten Zahl von komprimierenden Kolben kann somit eine höhere Verdichtung erzielt werden.

In einer weiteren Ausführungsform sind zur Erzielung einer höheren Verdichtung zwei Kolbenraumgehause sozusagen in Serienschaltung vorgesehen, wobei ein erstes Kolbenraumgehause als Kompressor arbeitet und der Verbrennungsvorgang der vorkomprimierten Frischluft in dem anderen Kolbenraumgehause statt findet. Dies wird durch die Maßnahmen ermöglicht, dass jedes der beiden Kolbenraumgehause jeweils ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Trennventil sowie zwei auf der gemeinsamem Antriebswelle angeordnete Kolbenräder mit jeweils einem Kolben aufweist, dass die Trennventile und die Kolben jeweils im Drehwinkel von etwa 20° bis 30° zueinander angeordnet sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben nach dem Trennventil des ersten Kolbenraumgehäuses eine Ansaugöffnung und vor dem Trennventil eine durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Überströmventil verschließbare Überströmöffnung vorgesehen ist, die in einen Uberströmkanal führt, der in eine Eintrittsöffnung des zweiten Kolbenraumgehäuses mündet, die nach dem zweiten Trennventil angeordnet ist, und dass vor dem zweiten Trennventil eine durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Auslassventil verschließbare Auslassöffnung angeordnet ist.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

Figur 1 : eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kolbenrades mit drei Kolben;

Figur 2: eine schematische Darstellung eines torusformigen Kolbenraumgehäuses mit radial innenliegendem Ringspalt;

Figur 3: einen Schnitt S1 gemäß Figur 6a eines Abschnitts des Kolbenraumgehäuses mit geschnittenem Trennventil;

Figur 4: eine geschnittene Darstellung eines Kolbenraumgehäuses einer als Kompressor oder Pumpe verwendbaren erfindungsgemäßen Kolbenmaschine;

Figur 5 a-d: eine alternative Ausführungsform einer als Pumpe oder Kompressor verwendbaren Kolbenmaschine mit drei Kolben in vier Phasen a - d; Figur 6 a-g: geschnittenen Darstellungen einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine in einer ersten Ausführungsform als Verbrennungsmotor in sieben verschiedenen Phasen a - g;

Figur 7 a-d: eine Kolbenmaschine in einer zweiten Ausführungsform als Verbrennungsmotor, in vier Phasen a - d;

Figur 8: eine schematische, dreidimensionale Darstellung einer Kolbenmaschine in einer dritten Ausführungsform als Verbrennungsmotor mit zwei torusformigen Kolbenraumgehäusen;

Figur 9 a-c: drei verschiedene geschnittene Darstellungen a - c des Verbrennungsmotors von Figur 8.

In Figur 1 erkennt man ein scheibenförmiges Kolbenrad 4, an dessen radial äußerem Rand drei Kolben 2a, 2b, 2c befestigt sind. In der Drehachse des Schreibenrades 4 ist eine Antriebswelle 3 angeordnet.

In Figur 2 erkennt man ein torusförmiges Kolbenraumgehause 1 , das auf seiner radial inneren Seite mit einem umlaufenden Ringspalt 16 versehen ist, der zur Aufnahme des radial äußeren scheibenförmigen Bereiches des Kolbenrades 4 bestimmt ist, so dass sich die Kolben 2 im torusformigen Kolbenraum 17 des Kolbenraumgehäuses 1 kreisförmig bewegen können. In Figur 3 ist eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen

Kolbenraumgehäuses 1 im Schnitt S1 gemäß Figur 6a gezeigt, wobei die Antriebswelle 3 das Kolbenrad 4 und ein Kolben 2 erkennbar sind. Des Weiteren ist ein Trennventil 10 dargestellt, welches eine um eine Ventilwelle 19 drehbare Ventilscheibe 18 aufweist, die mit einem Durchbruch 20 zum Durchgang des Kolbens 2 versehen ist. Die

Drehrichtung 21 der Ventilscheibe 18 ist durch einen Pfeil angedeutet. In der geschnittenen Darstellung von Figur 4 erkennt man wieder das Kolbenraumgehause 1 und das darin angeordnete Kolbenrad 4, welches hier nur mit einem einzigen Kolben 2 ausgestattet ist. Die Drehrichtung 22 des Kolbenrades 4 um die Antriebswelle 3 ist durch den Pfeil angedeutet. Das einzige Trennventil 10 dreht sich um die Ventilachse 19 und befindet sich gerade in einem geöffneten Zustand, wobei der Kolben 2 ungehindert durch den nicht gezeigten Durchbruch der Ventilscheibe 18 hindurchgeht. In Drehrichtung 22 nach dem Trennventil 10 befindet sich eine Ansaugöffnung 6 und vor dem Trennventil 10 eine Auslassöffnung 9.

Die in Figur 4 dargestellte Kolbenmaschine kann als Kompressor für Gase oder als Pumpe für die Förderung von Gasen oder Flüssigkeiten verwendet werden. Nachfolgend wird als Beispiel die Funktion bei der Kompression von Gasen beschrieben.

Der Kolben 3 überstreicht in Drehrichtung 22 die Ansaugöffnung 6, wobei sich das Trennventil 10 schließt, so dass zwischen dem Trennventil 10 und dem Kolben 2 ein abgetrenntes Kolbenraumsegment entsteht. Bei einer weiteren Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 vergrößert sich das genannte Kolbenraumsegment, wobei durch die Ansaugöffnung 6 Gas angesaugt wird. Wenn das Kolbenrad 4 fast eine ganze Umdrehung vollendet hat, überstreicht der Kolben 2 die Auslassöffnung 9. Die Auslassöffnung ist mit einem nicht gezeigten Rückschlagventil ausgestattet, so dass zwar Gas nach außen gedrückt werden kann, jedoch kein Gas von außen in den Kolbenraum 17 gelangen kann. Während der Kolben 2 die Auslassöffnung 9 überstreicht, öffnet das Trennventil 10 den Durchgang, so dass der Kolben 2 wieder in die in

Figur 4 dargestellte Position gelangt. Der gesamte Kolbenraum 17 ist jetzt mit angesaugtem Gas gefüllt, welches bei einer anschließenden weiteren Drehbewegung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 vor dem Kolben 2 hergeschoben wird. Da sich kurz nach dem Passieren des Kolbens 2 das Trennventil 10 wieder schließt, schiebt der Kolben 2 das Gas in dem in Drehrichtung 22 vor ihm befindlichen Kolbenraumsegment durch die Auslassöffnung 9 aus dem Kolbenraum 17 hinaus, während er gleichzeitig auf seiner Rückseite frisches Gas durch die Ansaugöffnung 6 ansaugt. Das Gas kann somit durch den Kolben 2 in dem vor dem Kolben befindlichen Segment des Kolbenraums 17 komprimiert und durch die Auslassöffnung 9 nach draußen gefördert werden.

In ähnlicher Weise funktioniert die in den Figuren 5 a - d dargestellte Kolbenmaschine zur Komprimierung von Gas oder Förderung von Gas oder Flüssigkeit. Der Unterschied zur Figur 4 besteht darin, dass auf dem Kolbenrad 4 jetzt drei Kolben 2a, 2b, 2c und am Kolbenraumgehause 1 drei Trennventile 10a, 10b, 10c angeordnet sind. Die drei Trennventile 10a, 10b, 10c ermöglichen die Unterteilung des Kolbenraums 17 in Kolbenraumsegmente 17a, 17b, 17c. Anhand des Kolbens 2a wird nachfolgend die Arbeitsweise der Kolbenmaschine gemäß Figur 5 beschrieben, wobei die anderen beiden Kolben 2b und 2c entsprechend dem Kolben 2a arbeiten, was zu einer Verdreifachung der Förderleistung führt.

In der in Figur 5a gezeigten Stellung sind alle Trennventile 10a, 10b, 10c geschlossen, so dass die Kolbenraumsegmente 17a, 17b, 17c abgetrennt sind. Bei einer Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 überstreicht der Kolben 2a die Ansaugöffnung 6a und saugt in der Folge gemäß der Darstellung von Figur 5b frisches Gas aus der Ansaugöffnung 6a an, bis er die in Figur 5c dargestellte Stellung über der ersten Auslassöffnung 9a erreicht. Da die Drehung der Trennventile 10a, 10b, 10c mittels eines nicht gezeigtes Antriebes mit der Drehung der Antriebswelle 3 gekoppelt und synchronisiert ist, öffnen die drei Trennventile 10a, 10b, 10c in dem Moment, in dem die drei Kolben 2a, 2b, 2c passieren müssen. Dieser Zustand ist in Figur 5d dargestellt. Nach dem Passieren der drei Kolben 2a, 2b, 2c erhält man einen Betriebszustand entsprechend der Darstellung von Figur 5a, nur daß jetzt an die Stelle des Kolbens 2a der Kolben 2c getreten ist. Der Kolben 2a wird nun in der Folge im Kolbenraumsegment 17b einen Ansaugvorgang aus der Ansaugöffnung 6b und danach im Kolbensegment 17c einen Ansaugvorgang aus der Ansaugöffnung 6c bewirken, wobei alle drei Phasen bis zum vollem Umlauf des Kolbens 2a analog ablaufen.

Nach dem anhand der Figuren 5a - d zunächst die in Drehrichtung 22 hinter dem jeweiligen Kolben 2a, 2b, 2c parallel ablaufenden Ansaugvorgänge betrachtet worden sind, sollen jetzt die in Drehrichtung 22 jeweils vor den drei Kolben 2a, 2b, 2c ablaufenden Kompressionsvorgänge bzw. das Ausdrücken des Gases durch die Auslassöffnungen 9a, 9b, 9c betrachtet werden.

Die Ausgangssituation finden wir in Figur 5a, wo beispielsweise der Kolben 2b im Kolbenraumsegment 17a einen Ansaugvorgang verrichtet hat. die Kolben 2a, 2b, 2c haben die Trennventile 10a, 10b, 10c passiert und die Trennventile 10a, 10b, 10c sind geschlossen. Bei einer weiteren Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 schieben sich die Kolben weiter entgegen dem Uhrzeigersinn, beispielsweise der Kolben 2a im Kolbenraumsegment 17a auf die Auslassöffnung 9a zu, wobei das zuvor vom Kolben 2b in das Kolbenraumsegment 17a eingesaugte Frischgas komprimiert und unter Druck durch die Auslassöffnung 9a hinausgeschoben wird. Parallele und analoge Vorgänge laufen in den Kolbenraumsegmenten 17b und 17c ab. Dabei sind die Auslassöffnungen 9a, 9b, 9c mit nicht gezeigten Rückschlagventilen versehen, so dass das komprimierte Gas dort nur ausgestoßen werden kann, nicht jedoch in das jeweilige Kolbenraumsegment 17a, 17b, 17c zurückströmen kann. In den Figuren 6a bis 6g ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine als Verbrennungsmotor näher erläutert. Auf einer Antriebswelle 3 sitzt wieder ein scheibenförmiges Kolbenrad 4 mit drei Kolben 2a, 2b, 2c. Das Kolbenrad 4 bewegt sich entgegen dem Uhrzeigersinn gemäß Drehrichtung 22. Am

Kolbenraumgehause 1 sind zwei Trennventile 10, 11 im Winkelabstand von etwa 120° zueinander angeordnet. In Bewegungsrichtung der Kolben 2a, 2b, 2c befindet sich vor dem Trennventil 11 eine Auslassöffnung 9 und danach eine Ansaugöffnung 12. Vor dem anderen Trennventil 10 befindet sich eine Überströmöffnung 13, die über einen gestrichelt angedeuteten Überströmkanal 14 mit einer Einlassöffnung 26 verbunden ist. Unmittelbar an der Einlassöffnung 26 ist ein Überströmventil 5 angeordnet, welches zum Öffnen und Verschließen der Einlassöffnung 26 bestimmt ist. Das Überströmventil 5 besitzt eine Ventilscheibe 25 mit einem Durchbruch 24. Die Drehung der Ventilscheibe 25 ist mit der Drehung der Antriebswelle 3 synchronisiert. Dasselbe gilt für die Drehung der Ventilscheibe 18 der Trennventile 10, 11. Das Überströmventil 5 unterscheidet sich in Aufbau und Synchronisation grundsätzlich nicht von den Trennventilen 10, 11. Unterschiede bestehen lediglich in der Form des Durchbruchs 20 bzw. 25 und in der Anordnung der jeweiligen Ventile. Im Bereich der

Einlassöffnung 26 ist ein Verbrennungsraum 15 vorgesehen, der radial außerhalb des Kolbenraums 17 angeordnet ist. Am Verbrennungsraum 15 ist außerdem eine Zündkerze 7 und eine Einspritzdüse 8 zum Einspritzen von Kraftstoff angeordnet.

Anhand des Kolbens 2a wird anschließend die Funktion des

Verbrennungsmotors näher erläutert. Die anderen beiden Kolben 2b, 2c führen analoge Vorgänge aus.

In der Situation von Figur 6a befindet sich im Verbrennungsraum 15 und in dem oberen Raumabschnitt zwischen dem Kolben 2a und dem ersten Trennventil 10 komprimierte Frischluft. Das Überströmventil 5 ist geschlossen. Auch die beiden Trennventile 10 und 11 sind geschlossen. Durch die Einspritzdüse 8 wird Kraftstoff eingespritzt, der mittels der Zündkerze 7 gezündet wird. Dadurch dehnt sich das brennende, komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch stark aus und treibt den Kolben 2a nach links, wobei das Kolbenrad 4 eine Drehbewegung 22 entgegen dem Uhrzeigersinn ausführt. In Figur 6b hat der Kolben 2a die Auslassöffnung

9 erreicht, die nunmehr frei gegeben wird, so dass das verbrannte Abgas teilweise schon durch die Auslassöffnung 9 entweicht. Im weiteren Verlauf werden die beiden Trennventile 10, 11 geöffnet, so dass die beiden

Kolben 2a, 2c passieren können. Danach werden die Trennventile 10, 11 wieder geschlossen, wobei die in Figur 6c dargestellte Situation entsteht. Der Kolben 2a wird nun auf seinem weiteren Weg die Ansaugöffnung 12 freigeben und aus der Ansaugöffnung 12 Frischluft ansaugen. Diese Situation ist in Figur 6d dargestellt. In Figur 6e hat der Kolben 2a die Überströmöffnung 13 erreicht. Jetzt werden wieder die beiden Trennventile 10, 11 geöffnet, so dass die Kolben 2a, 2b passieren können. In der in Figur 6 dargestellten Position des Kolbens 2a ist das Trennventil

10 bereits wieder geschlossen, während das Trennventil 11 noch geöffnet ist. Bei der in Figur 6g dargestellten Situation hat der Kolben 2a den

Brennraum 15 passiert. In diesem Moment öffnet das Überströmventil 5, so dass komprimierte Frischluft aus dem Uberströmkanal 14 in den Brennraum 15 gelangt, wo es wiederum zum Einspritzen von Kraftstoff und zur Zündung kommt.

Bisher wurden nur die Vorgänge besprochen, die sich in Drehrichtung 22 hinter dem Kolben 2a abspielten.

Betrachten wir jetzt die Vorgänge vor dem Kolben 2a. Beginnend mit Figur 6a befindet sich im Kolbenraum 17 vor dem Kolben 2a Abgas, welches durch Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches beim vorherigen Durchgang des Kolbens 2b entstanden ist. Bei weiterer Bewegung des Kolbens 2a im Rahmen der Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 schiebt der Kolben 2a das Abgas aus der Auslassöffnung 9 vollständig aus, bis er etwa die in Figur 6b dargestellte Stellung erreicht. Jetzt öffnet sich das Trennventil 11 , so dass der Kolben 2a hindurchgehen kann. In der in Figur 6c gezeigten Situation hat der Kolben 2a die Ansaugöffnung 12 passiert, wodurch zwischen dem Kolben 2a und dem Kolben 2b ein Raum mit Frischluft abgeteilt wird, die vorher der Kolben 2b durch die Ansaugöffnung 12 angesaugt hat. Bei der in Figur 6d gezeigten Situation hat sich das Trennventil 10 geöffnet, so dass der Kolben 2b passieren kann. Er gibt dabei gleichzeitig die Überströmöffnung 13 frei. Im weiteren Verlauf wird sich das Trennventil 10 schließen, so dass die zwischen dem Trennventil 10 und dem Kolben 2a befindliche Frischluft durch die weitere Bewegung des Kolbens 2a komprimiert wird, bis der Kolben 2a die in Figur 6e gezeigte Stellung erreicht, in der er die Überströmöffnung 13 abdeckt und verschließt. Die komprimierte Luft wird dabei kurzfristig im Überströmkanal 14 aufbewahrt. Die Überströmöffnung 13 ist mit einem nichtgezeigten Ventil versehen, das ein Rückströmen der komprimierten Frischluft in den Kolbenraum 17 verhindert. Insbesondere in der Situation von Figur 6f , in der der Kolben 2a das Trennventil 10 passiert hat, welches sich danach geschlossen hat, kann die komprimierte Luft aus dem Uberströmkanal 14 durch die Überströmöffnung 13 nicht zurückströmen.

In Figur 6g haben wir jetzt wieder die Situation, in der das Überströmventil 5 öffnet, so dass auf der Rückseite vom Kolben 2a ein erneuter Verbrennungsvorgang und auf seiner Vorderseite wieder ein Ausschieben der Abgase erfolgt.

Eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbeπmaschine als Verbrennungsmotor ist in den Figuren 7a - d dargestellt. Hier haben wir ebenfalls ein auf einer Antriebswelle 3 angeordnetes Kolbenrad 4 mit drei in gleichmäßigen Winkelabständen von 120° angeordneten Kolben 2a, 2b, 2c. Am Kolbenraumgehause 1 sind drei Trennventile 10a, 10b, 10c angeordnet. Des Weiteren ist das Kolbenraumgehause 1 mit drei Überströmventilen 5a, 5b, 5c versehen, die jeweils eine Ventilscheibe 25 aufweisen. Die Ventilscheiben 25 drehen sich entgegen dem Uhrzeigersinn in Drehrichtung 21 und sind mit der Drehung des Kolbenrades 4 in Drehrichtung 22 synchronisiert. Auch die Ventilscheiben 18 der Trennventile 10a, 10b, 10c sind mit der Drehung des Kolbenrades 4 synchronisiert. In Bewegungsrichtung der Kolben 2a, 2b, 2c gemäß Drehung 22 des Kolbenrades 4 befindet sich vor dem ersten Trennventil 10a eine Auslassöffnung 9 nach dem ersten Trennventil 10a eine Ansaugöffnung 12a, vor dem zweiten Trennventil 10b eine Überströmöffnung 13a, nach dem zweiten Trennventil 10b eine Ansaugöffnung 12b, vor dem dritten Trennventil 10c eine Überströmöffnung 13c und nach dem dritten Trennventil 10c eine Einlassöffnung 26. Die Einlassöffnung 26 ist über einen modifizierten Uberströmkanal 23 sowohl nrtit der Überströmöffnung 13a als auch mit der Überströmöffnung 13c verbunden.

In Bewegungsrichtung des Kolbens 2a befindet sich vor diesem verbranntes Abgas im Kolbenraum 17, welches bei der weiteren Drehung des Kolbenrades 4 entsprechend der Drehrichtung 22 aus der Auslassöffnung 9 ausgeblasen wird. Vor dem Kolben 2a befindet sich komprimierte Frischluft, die bei der in Figur 7a dargestellten Situation aus dem Überströmkanal 23 gerade in das Kolbenraumsegment zwischen dem Trennventil 10c und dem Kolben 2a einströmt, weil das

Überströmventil 5c gerade geöffnet ist, denn der Durchbruch 24c der Ventilscheibe 25 deckt sich gerade mit der Einlassöffnung 26. Nachdem das Überströmventil 5c geschlossen wurde, wird über eine nicht gezeigte Einspritzdüse Kraftstoff in den Raum zwischen dem dritten Trennventil 10c und dem Kolben 2a gespritzt und anschließend mittels einer nicht gezeigten Zündkerze gezündet, so dass der Kolben 2a in Richtung auf das erste Trennventil 10a getrieben wird. Dabei saugen die beiden Kolben 2b und 2c auf ihrer Rückseite durch die beiden Ansaugöffnungen 12a und 12b Frischluft an. Gleichzeitig verdichten die Kolben 2b und 2c auf ihrer Vorderseite die während der vorangegangenen 120°-Drehung des Kolbenrades 4 durch die Kolben 2c bzw. 2a angesaugte Frischluft. Während der Kompression der Frischluft durch die Kolben 2b und 2c werden die beiden Überströmventile 5a und 5b geöffnet, indem die länglichen Durchbrüche 24a und 24b in Deckung mit den jeweiligen Überströmöffnungen 13a und 13c gebracht werden. Die Kompression dauert an bis zu der in Figur 7b gezeigten Situation, in der die Kolben 2b und 2c die jeweiligen Überströmöffnungen 13a und 13c überdecken und die in den Überströmkanal 22 gelangte komprimierte Luft dort eingeschlossen wird, indem die Überströmventile 5a und 5b wieder schließen. Anschließend öffnen alle drei Trennventile 10a, 10b, 10c, damit die jeweiligen Kolben 2a, 2b, 2c passieren können. Diese Situation ist in Figur 7c gezeigt. Nach dem Passieren der Kolben 2a, 2b, 2c werden die Trennventile 10a, 10b, 10c wieder geschlossen, wie man in Figur 7d erkennt.

Jetzt beginnen die Vorgänge des Ausstoßens verbrannten Abgases aus dem Kolbenraum 17 durch die Auslassöffnung 9, das Einlassen von komprimierter Frischluft aus dem Uberströmkanal 23 über das sich öffnende Überströmventil 5c durch die Einlassöffnung 26 in den Brennraum und der anschließende Verbrennungsvorgang erneut, nur dass jetzt der Kolben 2c an diesen Vorgängen beteiligt ist. Analog gilt für die Vorgänge des Ansaugens von Frischluft durch die Ansaugöffnungen 12a und 12b und für das Komprimieren der zuvor eingesaugten Frischluft analog dasselbe, wie weiter oben beschrieben, nur dass jetzt die Kolben 2a und 2b daran beteiligt sind. Die zweite Ausführungsform des Verbrennungsmotors gemäß Figuren 7a - d hat gegenüber der ersten Ausführungsform den Vorteil, dass stets zwei Kolben am Kompressionsvorgang beteiligt sind, wodurch sich eine höhere Kompression der angesaugten Frischluft vor dem Einspritzen und Zünden des Kraftstoffes erreichen lässt.

In einer dritten Ausführungsform gemäß Figur 8 sind zwei Kolbenraumgehause 1a, 1b vorgesehen, in denen jeweils ein Trennventil 10a, 10b angeordnet ist. Die beiden torusformigen Kolbenraumgehause 1a, 1b sind auf derselben Achse einer Antriebswelle 3 im axialen Abstand zueinander angeordnet. Die Antriebswelle 3 ist der Übersichtlichkeit halber in Figur 8 nicht eingezeichnet. Zwischen den beiden Kolbenraumgehäusen 1a und 1 b ist ein Überströmkanal 27 angeordnet. Wie man in den Figuren 9a - c erkennt, ist am Kolbenraumgehause 1a ein Kolbenrad 4a und am Kolbenraumgehause 1b ein Kolbenrad 4b jeweils auf einer gemeinsamen Antriebswelle 3 angeordnet. Die Kolbenräder 4a, 4b drehen sich in Drehrichtung 22 entgegen dem Uhrzeigersinn. Wie man am besten Figur 9c erkennt, sind sowohl die beiden Trennventile 10a, 10b als auch die beiden Kolben 2a, 2b in Drehrichtung 22 jeweils in einem Winkel von ca. 25° zueinander angeordnet. Am Kolbenraumgehause 1a ist außerdem ein Überströmventil 5a und am Kolbenraumgeh use 1 b ein Überströmventil 5b angeordnet. Außerdem besitzt das Kolbenraumgehause 1a eine Ansaugöffnung 6, während das Kolbenraumgehause 1 b mit einer Auslassöffnung 9 versehen ist.

Das Kolbenraumgehause 1a dient als Kompressor für angesaugte Frischluft. Bei einer Drehung in Drehrichtung 22 und geschlossenem

Trennventil 10a saugt der Kolben 2a bei seiner Bewegung entgegen dem Uhrzeigersinn auf seiner in Bewegungsrichtung hinten liegenden Rückseite Frischluft durch die Ansaugöffnung 6 an und komprimiert gleichzeitig auf seiner Vorderseite die zuvor angesaugte Frischluft, um sie in den Überströmkanal 27 zu pressen. Für diesen Zweck gibt das Überströmventil 5a den Weg zum Überströmkanal 27 frei. Anschließend schließt das Überströmventil 5a und das Trennventil 10a wird geöffnet, damit der Kolben 2a den Überströmkanal 27, das Trennventil 10a und die Ansaugöffnung 6 passieren kann. Danach wird das Trennventil 10a wieder geschlossen und der Ansaug- bzw. Kompressionsvorgang im Kolbenraumgehause 1a beginnt erneut.

Wie man in Figur 9b erkennt, spielt sich im Kolbenraumgehause 1 b der Arbeitstakt und Auspufftakt des Verbrennungsmotors gleichzeitig ab. Bei der in der Figur 9b gezeigten Situation ist das Trennventil 10b geschlossen. Das Überströmventil 5b wird kurz geöffnet, um komprimierte Frischluft aus dem Uberströmkanal 27 in den kleinen Verbrennungsraum zwischen der in Bewegungsrichtung 22 hinten liegenden Rückseite des Kolbens 2b und dem Trennventil 10b einströmen zu lassen. Jetzt wird durch eine nicht gezeigte Einspritzdüse Kraftstoff eingespritzt und mittels einer nicht gezeigten Zündkerze gezündet, wodurch der Kolben 2b entgegen dem Uhrzeigersinn angetrieben wird. Dabei entspannt sich das verbrennende Kraftstoff-Luft-Gemisch und leistet am Kolben 2b Arbeit, die auf die Antriebswelle 3 übertragen wird. Gleichzeitig schiebt der Kolben 2b auf seiner Vorderseite das verbrannte Abgas aus der vorangegangenen Umdrehung durch die Auslassöffnung 9 hinaus. Während einer kurzen Öffnungsphase des Trennventils 10b kann der Kolben 2b die Auslassöffnung 9, das Trennventil 10b und den Überströmkanal 27 passieren. Danach läuft der Arbeitstakt auf der Rückseite des Kolbens 2b und der Auspufftakt auf seiner Vorderseite erneut ab.

In Figur 9c kann man das Zusammenwirken der beiden Kolben 2a und 2b sowie der beiden Trennventile 10a, 10b und des dazwischen liegenden Überströmkanals 27 mit den beiden Überströmventilen 5a und 5b erkennen. Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine hat insbesondere in der Bauform als Verbrennungsmaschine gegenüber den üblichen Hubkolbenmotoren den Vorteil, dass die in den heißen Verbrennungsgasen steckende Energie weit effektiver in mechanische Arbeit umgewandelt werden kann, denn die Gase lassen sich im erfindungsgemäßen Motor weiter entspannen als beim Hubkolbenmotor. Der größtmögliche Hubweg der Kolbenmaschine ist nämlich begrenzt auf etwa den 1 ,5-fachen Kolbendurchmesser, weil ansonsten das seitlich ausschlagende Pleuel mit der Führung des Kolbens, also der Zylinderwand in Konflikt käme. Beim umlaufenden Kolben der vorliegenden Erfindung hingegen kann der Kolben je nach vorliegender Ausführungsform sehr viel weitere Strecken beim Expansionsvorgang zurücklegen. Bei der Ausführungsform mit nur einem Trennventil kann sich der Kolben um mehr als 300° bewegen, was etwa dem 15-fachen des Kolbendurchmessers entspricht. Dabei können sich die Verbrennungsgase etwa 10 mal so weit ausdehnen wie bei der Hubkolbenmaschine. Die dabei geleistete Arbeit wird bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine zusätzlich auf den Kolben und die Antriebswelle übertragen, statt nutzlos im Auspuff zu verschwinden.

BEZUGSZEICHENLISTE

Kolbenraumgehause

Kolben

Antriebswelle

Kolbenrad

Überströmventil

Ansaugöffnung

Zündkerze

Einspritzdüse

Auslassöffnung

Trennventil

Ansaugöffnung

Überströmöffnung

Uberströmkanal

Verbrennungsraum

Ringspalt

Kolbenraum

Ventilscheibe

Ventilwelle

Durchbruch

Drehrichtung

Uberströmkanal

Durchbruch

Ventilscheibe

Einlassöffnung

Uberströmkanal

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Kolbenmaschine zur Verwendung als Pumpe, Kompressor oder Wärmekraftmaschine, insbesondere Verbrennungsmotor, mit einem in einem Kolbenraum (17) eines Maschinengehäuses beweglich angeordneten Arbeitskolben (2), und mit verschließbaren Ansaugöffnungen (12) und Auslassöffnungen (9) für ein Arbeitsfluid, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse ein Kolbenraumgehause (1 ) umfasst, welches einen im wesentlichen torusformigen Kolbenraum (17) umschließt, dass im Kolbenraum (17) zumindest ein Kolben (2) kreisförmig umlaufend bewegbar ist und dass das Kolbenraumgehause (1) mit Trennventilen (10, 11) zum periodischen Abtrennen von Kolbenraumsegmenten versehen ist, wobei die Trennventile (10,11) mit der Kolbenbewegung synchronisiert sind.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenraumgehause (1) auf seiner radial inneren Seite mit einem umlaufenden Ringspalt (16) versehen ist und dass der oder die Kolben (2) auf dem radial äußeren Rand eines Kolbenrades (4) angebracht ist/sind, welches mit einem Scheibenring-förmigen Abschnitt in den Ringspalt (16) des Kolbenraumgehäuses (1) hineinragt und mit seiner Drehachse auf einer Antriebswelle (3) sitzt.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenrad (4) scheibenförmig ist.

4. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennventile (10, 11) in einem Ventilgehäuse drehbar angeordnete, mit Durchbrüchen (20) versehene Ventilscheiben (18) aufweisen, die im wesentlichen in radialer Richtung in den Kolbenraum (17) hineinragen und je nach Drehwinkel ein Kolbenraumsegment verschließen oder eine Durchgangsöffnung für den Kolben (2) freigeben.

5. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Kompressor oder Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenrad (4) ein Kolben (2) und am Kolbenraumgehause (1) ein mit der Antriebswelle (3) synchronisiertes Trennventil (10) sowie in Bewegungsrichtung des Kolbens (2) nach dem Trennventil (10) eine Ansaugöffnung (6) und vor dem Trennventil (10) eine Auslassöffnung (9) angeordnet ist.

6. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung als Kompressor oder Pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenrad (4) drei Kolben (2a, 2b, 2c) im gleichen Winkelabständen und am Kolbengehäuse (1 ) drei mit der Antriebswelle (3) synchronisierte Trennventile (10a, 10b, 10c) in gleichen Winkelabständen angeordnet sind und dass in Bewegungsrichtung der Kolben (2a, 2b, 2c) nach den Trennventilen (10a, 10b, 10c) jeweils eine Ansaugöffnung (6a, 6b, 6c) und vor den Trennventilen (10a, 10b, 10c) jeweils eine Auslassöffnung (9a, 9b, 9c) angeordnet ist.

7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung als Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolbenrad (4) drei Kolben (2a, 2b, 2c) in gleichen Winkelabständen von 120° und am Kolbenraumgehause (1) zwei mit der Antriebswelle (3) synchronisierte Trennventile (10, 11) im Winkelabstand von etwa 120° angeordnet sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben (2a, 2b, 2c) vor dem ersten Trennventil (10) eine Überströmöffnung (13) und nach dem ersten Trennventil (10) eine Einlassöffπung (26) vorgesehen ist, die beide durch einen Überströmkanal (14) miteinander verbunden sind, dass die Einlassöffnung (26) mittels eines mit der Antriebswelle (3) synchronisierten Überströmventils (5) verschließbar ist, dass vor dem zweiten Trennventil (11) eine Auslassöffnung (9) und nach dem zweiten Trennventil (11 ) eine Ansaugöffnung (12) angeordnet ist.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei in gleichen Winkelabständen angeordnete Trennventile (10a, 10b, 10c) vorgesehen sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben (2a, 2b, 2c) nach dem ersten Trennventil (1 Oa) und dem zweiten Trennventil (1 Ob) je eine Ansaugöffnung (1 a, 12b) vorgesehen ist, dass nach dem zweiten Trennventil (1 Ob) und dem dritten Trennventil (10c) je eine Überströmöffnung (13a, 13b) vorgesehen ist, dass nach dem zweiten Trennventil (10c) eine Einlassöffnung (26) vorgesehen, dass die beiden Überströmöffnungen (13a, 13b) und die Einlassöffnung (26) jeweils durch ein mit der Antriebswelle synchronisiertes Überströmventil (5c) verschließbar und durch einen gemeinsamen Uberströmkanal (23) miteinander verbunden sind und dass vor dem ersten Trennventil (1 Oa) eine Auslassöffnung (9) vorgesehen ist.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Verwendung als Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kolbenraumgehause (1a, 1 b) mit zwei Kolbenräumen und jeweils einem mit der Antriebswelle (3) synchronisierten Trennventil (ΪOa, 10b) sowie zwei auf der gemeinsamen Antriebswelle (3) angeordnete Kolbenräder (4a, 4b) mit jeweils einem Kolben (2a, 2b) versehen sind, dass die Trennventile (10a, 10b) und die Kolben (2a, 2b) jeweils im Drehwinkel von etwa 20° bis 30° zueinander angeordnet sind, dass in Bewegungsrichtung der Kolben (2a, 2b) nach dem Trennventil (10a) des ersten Kolbenraumgehäuses (1a) eine Ansaugöffnung (6) und vor dem Trennventil (10a) eine durch ein mit der Antriebswelle (3) synchronisiertes Überströmventil (5a) verschließbare Überströmöffnung vorgesehen ist, die in einen Uberströmkanal (27) führt, der in eine Einströmöffnung des zweiten Kolbenraumgehäuses (1b) mündet, die nach den zweiten Trennventil (10b) angeordnet ist und dass vor dem zweiten Trennventil (10b) eine durch ein mit der Antriebswelle (3) synchronisiertes Auslassventil (5b) verschließbare Auslassöffnung (9) angeordnet ist.