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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine,
eine Drehkolbenpumpe oder einen Drehkolbenkompressor eines Typs,
der einen Zylinderblock, der eine dreiseitige Kammer mit konvex
gekrümmten Wänden begrenzt, die durch abgerundete Ecken
miteinander verbunden sind, und einen ovalen Rotor umfaßt, der in der
Kammer zum Umlauf um deren Innenwandflächen durch eine
Kurbelwelle angeordnet ist, die in einer zentralen Führungsbahn des
Rotors gleitend verschiebbar und an den gegenüberliegenden Enden
mit jeweiligen Achsen zum Übertragen der Antriebskraft zum und
vom Rotor verbunden ist, wobei der Rotor über 60º um zwei Pole
des Ovals abwechselnd drehbar ist, so daß sich bei einem
vollständigen Umlaufzyklus der Rotor um drei Momentanpole an den
Ecken eines regelmäßigen Dreiecks dreht, wodurch Änderungen im
Volumen der Zwischenräume zwischen den gegenüberliegenden Seiten
des Rotors und der Wände der Kammer bewirkt werden.
Drehkolbemaschinen, -pumpen und -kompressoren dieser Art sind aus der US-A-
3996901 bekannt.
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1878 hat Nicholas Otto eine Brennkraftmaschine beschrieben,
mit der aus Wärme und Druck, die durch die Verbrennung eines
Kraftstoffluftgemisches im Inneren eines geschlossenen Zylinders
über einen Viertaktzyklus erzeugt werden, eine Kraft gewonnen
wird. Heutige Maschinen werden im allgemeinen auf dem von
Nicholas Otto beschriebenen Prinzip entwickelt. Jahre nach der
Beschreibung von Otto wurde von Diesel eine Brennkraftmaschine mit
Kompressionszündung entwickelt. Wenige Jahre danach wurde eine
Zweitaktmaschine entwickelt. Bei den oben beschriebenen
Maschinen dient gewöhnlich ein hin- und hergehender Kolben dazu, die
Ausgangskraft zu erzeugen. Einige Jahre nach der Erfindung der
Zweitaktkolbenmaschine wurden nacheinander die
Axialstrahltriebwerke und Axialhubkolbenmaschinen entwickelt. 1950 entwickelte
Wankel (ein deutscher Ingenieur und Erfinder) eine
Drehkolbenmaschine mit einem dreiflügeligen Rotor, die weniger Bauteile
als eine vergleichbare Kolbenmaschine benötigt. Den
traditionellen Hubkolbenmaschinen und den jüngsten Drehkolbenmaschinen sind
zahlreiche Nachteile gemeinsam. Diese Maschinen sind schwer, im
Aufbau kompliziert, mit hohen Kosten bei der Fertigung
verbunden, haben einen niedrigen Wirkungsgrad und eine geringe
Leistung und/oder erzeugen während ihrer Arbeit starke
Schwingungen.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist der Versuch, die oben
genannten Nachteile zu überwinden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Drehkolbenmaschine, eine Drehkolbenpumpe oder ein Drehkolbenkompressor der
oben genannten Art geschaffen, welche bzw. welcher dadurch
gekennzeichnet ist, daß zwei Laufräder drehbar am Rotor auf den
gegenüberliegenden Seiten jedes Pols des Ovals angebracht sind,
und jede Achse ein jeweiliges fächerförmiges Rad trägt, das an
der Verbindung zwischen der Achse und der Kurbelwelle angeordnet
ist oder diese Verbindung bildet und das einen Sektor eines
regelmäßigen Drehbogens über 120º an einem Ende und einen
Winkelkreisbogen über 250º am gegenüberliegenden Ende hat, wobei
jedes fächerförmige Rad in dauerhaftem Kontakt mit den beiden
Laufräder auf der entsprechenden Seite des Rotors angeordnet
ist, um die Laufräder so zu führen, daß sie sich entlang einer
kreisbogenförmigen Bahn drehen, was es erlaubt, daß sich die
Kurbelwelle relativ zum Rotor gleitend verschiebt und diesen so
führt, daß er in einer festen Richtung umläuft.
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Bevorzugt Merkmale der Erfindung sind in den folgenden
abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 angegeben.
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Eine Maschine, eine Pumpe oder ein Kompressor gemäß der
vorliegenden Erfindung kann problemlos ein hohes
Kompressionsverhältnis erreichen, ein hohes Drehmoment erzeugen, den
Platzbedarf so klein wie möglich halten und die Wärmeenergie in
vollem Umfang ausnutzen, so daß ihre oder seine Funktion stark
verbessert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand eines Beispiels
unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in
denen
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Fig. 1 eine Außenansicht des Zylinderblocks einer
Drehkolbenmaschine
gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispiels der
Erfindung zeigt,
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Fig. 1-1 eine perspektivische Schnittansicht des
Zylinderblockes zeigt,
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Fig. 2 eine perspektivische teilweise geschnittene Ansicht
des Rotors des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
zeigt,
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Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Kurbelwelle zeigt,
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Fig. 4 eine perspektivische Schnittansicht des bevorzugten
Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt,
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Fig. 5 eine Schnittansicht der Ausgangsstufe der Erfindung
zeigt,
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Fig. 6 eine schematische Draufsicht des Rotors zeigt,
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Fig. 7 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 2 zeigt,
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Fig. 8 eine vergrößerte Teilansicht von Fig. 4 zeigt, wobei
eine Rolle und ein Bereich dargestellt sind, an dem Sperren
einander überschneiden,
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Fig. 9 eine Schnittansicht eines Einweg-Ansaugventils des
bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung zeigt,
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Fig. 10 eine schematische Ansicht zeigt, die den
Überschneidungsbereich im Inneren des Rotors zeigt,
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Fig. 11 in einer schematischen Darstellung die Zirkulation
von Gas und Maschinenöl im Inneren des Zylinderblockes zeigt,
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Fig. 12 in einer schematischen Darstellung die relativen
Beziehungen unter den inneren Bauteilen zeigt,
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Fig. 13 bis 15 die fortlaufende Bewegung beim ersten Takt
der Maschine der Erfindung zeigen,
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Fig. 15 bis 17 die fortlaufende Bewegung beim zweiten Takt
der Maschine zeigen,
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Fig. 17 bis 20 die fortlaufende Bewegung beim dritten Takt
der Maschine zeigen,
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Fig. 21 in einer schematischen Darstellung die Rückkehr des
Rotors in die Ausgangsposition nach Vollendung des dritten
Taktes zeigt,
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Fig. 22 eine alternative Form des Rotors mit einem
verstärkten
Übertragungsmechanismus zur Verwendung bei
großformatigen Maschinen zeigt, und
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Fig. 23 eine teilweise vergrößerte Ansicht von Fig. 22
bezüglich einer Schraubenpumpe auf der Achse der Laufräder
zeigt.
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Anhang 1 zeigt die Arbeitsvorgänge an den Zylinderwänden
auf zwei gegenüber liegenden Seiten des Rotors in eine Richtung
entgegen dem Uhrzeigersinn während der Drehbewegung des Rotors
und
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Anhang 2 zeigt eine einfache Berechnung des
Zylindervolumens und der Drehkapazität des Rotors.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels im einzelnen
A. Aufbau
1. Zylinder:
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Gemäß Fig. 1, 4 und 10 umfaßt die vorliegende Erfindung
einen Zylinderblock 1, der im Inneren einen annähernd
dreiseitigen Kreis mit einem Rotor 2 begrenzt, der drehbar eingesetzt
ist. Die drei Zylinderwände A, B und C im Inneren des
Zylinderblocks 1 sind jeweils mit einer Krümmung ausgebildet, die als
Laufbahn für ein weiteres elliptisches Ende dient, während der
Rotor 2 über einen Winkel von 60º um den Pol 2A oder 2B umläuft
(siehe Fig.10). Die drei kreisförmigen Enden des dreiseitigen
ellipsoiden Zylinderblockes 1 sind jeweils mit einer Krümmung
ausgebildet, die der Krümmung des schmalen kreisförmigen Endes
des Rotors 2 entspricht (siehe Fig. 12). Die drei Zylinderwände
haben jeweils wenigstens eine Ansaugöffnung 11, eine
Auslaßöffnung 12 und eine Zündkerze 13 (siehe Fig.1). Die Zündkerze 13
kann durch eine Öldüse für eine Kompressionszündung ersetzt
sein. Die Auslaßöffnung ist vorzugsweise an einer Stelle
angeordnet, die der Brennkammer in der Nähe des nachlaufenden Endes
des Rotors entspricht, um die Dauer der Öffnung des
Auslaßventils während des Auspufftaktes zu verlängern. Die Ansaugöffnung
ist vorzugsweise an einer Stelle nahe am Momentanpol (2A)
angeordnet, um die Dauer der Öffnung des Ansaugventils während des
Ansaugtaktes zu verlängern. Gas strömt entgegen dem
Uhrzeigersinn
längs der Drehlaufbahn des Rotors. Die Ansaugöffnung kann
in Form eines Einwege-Ventils (siehe Fig. 9) ausgebildet sein,
das das Brennstoffgas in den Zylinderblock eintreten läßt, so
daß sich der Einbau einer Nockenwelle erübrigt.
2. Rotor
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Gemäß Fig. 1 bis 4 ist ein ovaler Rotor so eingebaut, daß
er im Inneren eines im wesentlichen dreiseitigen
kreisbogenförmigen Zylinderblockes 1 auf Achsen 33 umläuft (siehe Fig. 4).
Der Rotor 2 umfaßt zwei Pole 2A, 2B die jeweils zwei Laufräder
21 oder 22 aufweisen, die daran an den beiden gegenüber
liegenden Enden angebracht sind. Eine Führungsbahn 211 ist im Rotor 2
ausgebildet, die durch seine Mitte hindurch geht, um eine
Kurbelwelle 3 so zu halten, daß die Kurbelwelle 3 darin gleiten
kann (siehe Fig.2, 3 und 6). Im Rotor 2 an zwei gegenüber
liegenden Enden und am vorderen und hinteren Umfangsbereich sind
Kanäle zum Anbringen von Sperren 212 ausgebildet, um den
Innenraum gegenüber dem Außenraum zu isolieren. An jeder Rotorspitze
sind zwei oder drei Sperren 212 befestigt. Es sind
Ölversorgungsbohrungen 216 (siehe Fig. 8) am Rotor und zwischen den
Sperren ausgebildet, um diese zu schmieren, wobei der maximale
regelmäßige Abstand dazwischen größer als die Breite der
Ansaugund Auslaßöffnungen und gleichfalls der Zündbohrung ist, so daß
die Isolationswirkung nicht beeinträchtigt wird, wenn der Rotor
über die Ansaug- und die Auslaßbohrungen während seiner
Umlaufbewegungen geht. Der Rotor weist im Inneren eine im Querschnitt
I-förmigen Strebe 213 mit Löchern 217 auf, die daran an zwei
gegenüberliegenden Enden im Ölring und Sperrenbereich
ausgebildet sind, um den Luftdruck auf jeder Seite auszugleichen. Der
Metallaufbau des Rotors 2 ist derart, daß der Raum außerhalb des
Hohlkörpers mit innenliegenden Rippen zum Durchgang des
Maschinenöls im Inneren des Rotors so klein wie möglich ist.
Wenigstens zwei Reihen von Rollen 215 sind jeweils am Rotor 2 an zwei
gegenüber liegenden Enden vorgesehen, die es dem Rotor 2
erlauben, gleichmäßig längs der Innenwand des Zylinderblockes 1
umzulaufen. Für eine kleinformatige Maschine können die Rollen 215
fehlen, so daß die äußere Wand der Sperren des Rotors 2 direkt
an der Innenwand des Zylinderblockes 1 während der
Umlaufbewegung des Rotors 2 entlang schleift. Eine ausgesparte Brennkammer
214 (siehe Fig. 4) ist in der Außenwand des Rotors 2 exzentrisch
auf jeder Seite nahe seines Umlaufendes ausgebildet um ein
komprimiertes Luft/Gasgemisch aufzunehmen und die Explosionskraft
in die richtige Umlaufrichtung zu führen.
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Die Ansaug- und Auslaßöffnungen gemäß der vorliegenden
Entwicklung zeichnen sich dadurch aus, daß jeweils zwei der drei
Zylinderwände A, B und C in die Arbeit jeder Ansaug- und
Auslaßöffnung einbezogen sind. Die Ansaug- und Auslaßöffnungen an
jeweils zwei Zylinderwänden werden daher gleichzeitig für den
Betrieb benutzt (jede Ansaug- oder Auslaßöffnung kann
gleichzeitig von zwei Nockenwellen mit einer etwas verschiedenen
Zeitverzögerung gesteuert werden) (siehe Fig. 13 bis 21).
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Gemäß Fig. 10 ist ein im wesentlichen dreiseitiger
Bogenbereich 112 um die Achsen 33 ausgebildet, der der
Überschneidungsbereich 112 (siehe Fig. 10) ist, der im Rotor 2 abgedeckt wird.
Die Achsen 33 sind gleichfalls immer im Überschneidungsbereich
112 angeordnet. Mehrere Bohrungen 121 können am Rotor 2 im
Überschneidungsbereich 112 ausgebildet sein, um das Maschinenöl und
Kühlluft dort hindurchzuführen und dadurch den Innenaufbau des
Rotors 2 zu schmieren und abzukühlen.
3. Achsen, Kurbelwelle und fächerförmige Räder:
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Bezüglich der Darstellung der Achsen der Kurbelwelle und
der fächerförmigen Räder wird gebeten auf Fig. 3 Bezug zu
nehmen. Die Achsen 33 dienen dazu, die Maschinenleistung abzugeben
und sind zweiseitig mit einer Kurbelwelle 32 über zwei
Kurbelarme 30 verbunden. Die Kurbelwelle 32 ist beweglich in der
Führungsbahn 211 des Rotors 2 befestigt. Zwei fächerförmige Räder
34, die in Form eines 120º Sektors ausgebildet sind, sind
jeweils an den Achsen 33 angebracht und an den beiden Kurbelarmen
33 an zwei gegenüber liegenden Seiten angeordnet. Die Kurbelarme
30 sind jeweils mit der Mitte des 120º Sektors der
fächerförmigen Räder 34 verbunden. (Die fächerförmigen Räder können auch
als Ersatz für die Kurbelarme verwandt werden). Die
fächerförmigen Räder 34 haben jeweils einen Radius gleich dem Radius der
Laufräder am Rotor 2 (siehe Fig. 12). Der 120º Sektor der
fächerförmigen Räder 34 ist ein regelmäßiger Kreisbogen. Es gibt
einen 240º Winkelkreisbogen 35, der die Schnittlinie zwischen
den fächerförmigen Rädern und dem Umfang der Laufräder, wenn die
fächerförmigen Räder im Uhrzeigersinn über 120º relativ zum
Rotor gedreht werden und der Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn
über 60º gedreht wird, d. h. die Verbindungslinie aus dem
nächsten Abstand zwischen dem Umfang der Laufräder und der
Mittelachse der Achsen während des Umlaufes des Rotors über einen
Winkel von 60º relativ zum Zylinderblock ist. Die fächerförmigen
Räder stehen fortlaufend in einem Kontakt mit den Laufrädern, um
die Laufräder des Rotors so zu bewegen, daß sie sich entlang
einer gegebenen Laufbahn bewegen, was es erlaubt, daß die
relative Bewegung zwischen der Kurbelwelle und der Führungsbahn den
Rotor so führt, daß er sich längs einer festen Bahn bewegt, und
gleichzeitig eine Drehung in die umgekehrte Richtung oder eine
Versetzung der Kurbelwelle und des Rotors verhindert&sub1; so daß der
Rotor in einer stabilen Bewegung gehalten wird.
B. Arbeitsprinzip
1. Die Art des Antriebs des Rotors durch die Achsen:
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Sobald die Maschine angelassen ist, treiben die Achsen 33
den Rotor 2 an, so daß er umläuft (siehe Fig. 12.). Die Achsen
33 drehen sich im Uhrzeigersinn und tragen die flügelförmigen
Räder derart, daß diese abrollend gegen die unteren linken
Laufräder 22 drücken, was es erlaubt, daß die flügelförmigen Räder
34 und die Laufräder 22 eine Drehbewegung in Umkehrrichtung
ausführen. Die Kurbelwelle 32 zwingt gleichzeitig die Führungsbahn
211 des Rotors 2, sich quer zu den Achsen zu bewegen, um den
Rotor so anzutreiben, daß er sich entgegen dem Uhrzeigersinn
nach oben bewegt, wobei sich seine Position von der 4-8
Stundenposition in die 8-12 Stundenposition ändert. Diese Bewegung wird
immer wiederholt. Während des ersten Taktes liegt der
Schnittpunkt zwischen den fächerförmigen Rädern und den Laufrädern 2A
und 2B fortlaufend im regelmäßigen Kreisbogen von 120º des
fächerförmigen Rades, das als Lager dient, wenn es sich an die
Innenwand des Zylinderblockes anpaßt. Wenn daher der Rotor über
einen Winkel von 60º entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht wird,
befindet sich der untere linke Momentanpol 03 (d.h. der Pol 2B
des Laufrades) an einer konstanten Position und folgt das obere
Laufrad dem Rotor entgegen dem Uhrzeigersinn längs des 240º Grad
Winkelkreisbogens 35. Gleichzeitig stützt der 240º
Winkelkreisbogen 35 die oberen Laufräder 2A, er wird in einer Umlaufbahn
relativ zur Innenbahn des Zylinderblockes gehalten. Der 240º
Winkelkreisbogen 35 paßt sich gleichfalls an den 120º Kreisbogen
an, um die Laufräder 2B zu stützen, er dient als Lager, um die
Drehbewegung des Rotors abzustützen, was es erlaubt, daß sich
der Rotor gleichmäßig und stabil dreht. Die Bewegung der Achsen
und der Kurbelwelle ist eine Kreisbewegung im Uhrzeigersinn
relativ zur Maschine, die Bewegung der Kurbelwelle ist eine hin
und hergehende Linearbewegung relativ zur Führungsbahn 211 und
die Bewegung des Rotors ist eine Kreisbewegung entgegen dem
Uhrzeigersinn relativ zum Zylinderblock. Es wird als ein Takt
für den Zylinderblock betrachtet, wenn sich die Achsen im
Uhrzeigersinn über 120º gedreht haben. Wenn der Rotor drei Takte
vollendet hat, ist ein Zyklus abgeschlossen und sind die Achsen
gleichfalls über eine vollständige Umdrehung gedreht. (Siehe
Fig. 12 bis 21).
2. Die Art, in der der Rotor die Achsen antreibt:
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Nachdem die Maschine angelassen ist, drückt die
Explosionskraft gegen den Rotors so, daß dieser in der gleichen Weise wie
es oben beschrieben wurde, über die Kurbelwelle die Achsen
dreht. Abgesehen von der Kurbelwelle gibt es jedoch noch eine
andere Stelle, an der das Drehmoment des Rotors 2 auf die Achsen
33 übergehen kann. Das ist die 240º Krümmung des fächerförmigen
Rades 35, an der ein Rolldruck vom äußeren sich drehenden
Laufrad 21 liegt. Die Art, in der der Rotor die Achsen antreibt, ist
daher ein Drehen gleichmäßiger und kräftiger als umgekehrt.
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Die Achsen werden durch das Trägheitsmoment äußerer
Mitlaufräder
36 in einer gleichmäßigen Drehung im Uhrzeigersinn
gehalten.
3. Prinzip der Stabilität:
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Die fächerförmigen Räder 34 sind Schlüsselbauteile, die den
Rotor in einer stabilen Drehung halten. Wie es in Fig. 10
dargestellt ist, sind die drei Momentanpole des Rotors die drei
Totpunkte 01, 02, 03 d. h. der obere Totpunkt 02, der rechte
Totpunkt 01 und der linke Totpunkt 03. Wie es in Fig. 12
dargestellt ist, bewegen sich vor Beginn eines ersten Taktes (siehe
Fig. 20) die linken Laufräder 2B entlang des Winkelkreisbogens
35 vom oberen Totpunkt 02 zum linken Totpunkt 03, wobei die
Kurbelwelle 32 gleichzeitig zur Mitte der Führungsbahn bewegt wird.
Wenn der erste Takt begonnen hat, bewegt sich die Kurbelwelle
aufgrund der Tatsache, daß sie so gehalten ist, daß sie eine
Bewegung im Uhrzeigersinn ausführt, nach dem Durchgang durch die
Mitte der Führungsbahn 211 nach links und nach oben, um
fortlaufend die Führungsbahn 211 zu halten und zu beaufschlagen.
Wenn die fächerförmigen Räder 34 aus einer Position, die der
Zylinderwand B entspricht, über einen Winkel von 120º in eine
Position gedreht sind, die der Zylinderwand A entspricht, dann
ist jeder ihrer 120º Kreisbögen so gehalten, daß er die rechten
Laufräder 2A hält oder gegen diese drückt. Es entsteht daher
eine schaukelartige Hebebewegung. Die fächerförmigen Räder 24
halten einmal inne gegen die Laufräder 2A zu drücken und diese
zu halten, um zu verhindern, daß der Rotor 2 gegen die Innenwand
des Zylinderblockes 1 zum Zeitpunkt anschlägt, an dem der letzte
Takt gerade abgeschlossen ist. Nach dem Beginn des ersten Taktes
bewegt sich die Kurbelwelle 32 im Uhrzeigersinn. Da der 120º
Kreisbogen jedes fächerförmigen Rades 34 gleichzeitig und genau
gemeinsam mit der Kurbelwelle 32 gedreht wird (siehe Fig. 12 bis
14), ist der linke Pol des Rotors 2, d. h. sind die linken
Laufräder 2B während des ersten Taktes durch den 120º Kreisbogen der
fächerförmigen Räder 34 auf den linken Totpunkt 03 festgelegt.
Unmittelbar danach wird der Rotor 2 durch die Kurbelwelle 32 und
die Führungsbahn 211 so gehalten, daß er sich nach oben dreht.
Sobald die rechten Laufräder 2A am oberen Totpunkt 02 angekommen
sind, ist der erste Takt abgeschlossen. Der zweite und der
dritte Takt erfolgen in derselben Weise. Wenn der dritte Takt
abgeschlossen ist, ist der Rotor in die Ausgangsposition
zurückgekehrt.
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Während der Umlaufbewegung wird der Rotor 2 an seiner
Außenseite konstant in Kontakt mit der Innenwand des
Zylinderblokkes 1 gehalten und konstant innen durch die Kurbelwelle 32 und
die fächerförmigen Räder 34 gehalten. Während der Umlaufbewegung
des Rotors 2 sind daher die mechanischen Bauteile fortlaufend in
Kontakt miteinander gehalten. Das Hauptmerkmal der Ausbildung
liegt bei den drei Totpunkten 01, 02, 03, an denen der Rotor 2
an jedem Momentanpol kurzzeitig anhält. Tatsächlich kann das
Drehmoment, das den Motor 2 antreibt, sich für den nächsten Takt
zu bewegen, durch eine schaukelartige mechanische
Momentübertragung zwischen den beiden Enden des Rotors wiedererhalten
werden. Da der Rotor 2 über einen Winkel 60º bei jedem Takt im
Vergleich mit dem herkömmlichen Hubkolben läuft, der seine
Bewegungsrichtung bei jeder Umkehr über einen 180º Winkel ändert,
können durch die vorliegende Ausbildung ein besseres Drehmoment,
eine längere Verweilzeit am oberen und unteren Totpunkt und eine
geringere Schwingung erzielt werden.
4. Der Umstand der Nichtumkehrdrehung:
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Abgesehen davon, daß das fächerförmige Rad und die
Zuordnung der exzentrischen ausgesparten Brennkammer 214 eine
Nichtumkehrdrehfunktion über ihren Lagereffekt und die Richtung der
Explosionskraft haben können, wie es oben beschrieben wurde,
kann auch die Anordnung eines äußeren Mitlaufrades dieselbe
Funktion über dessen Trägheitsmoment erfüllen. Die Drehbewegung
des Rotors 2 bleibt daher eine gleichmäßige Bewegung, die nicht
gezwungen wird, ihre Richtung umzukehren.
C. Beschreibung des Drehtaktes
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Wenn der Rotor 2 eng an der Zylinderwand A während seines
Umlaufes im Inneren des Zylinderblockes 1 liegt (siehe Fig. 12
bis 15), und angenommen, daß es sich um den ersten Takt des
Rotors 2 handelt, wenn der Rotor 2 auf dem Momentanpol 2B entgegen
dem Uhrzeigersinn über einen Winkel von 60º gedreht wird, um eng
an der Zylinderwand C zur Anlage zu kommen, ist es der zweite
Takt des Rotors 2, wenn dieser fortlaufend am Momentanpol 2A
entgegen dem Uhrzeigersinn über einen Winkel von 60º gedreht
wird, um eng zur Anlage an der Zylinderwand B zu kommen (siehe
Fig. 15 bis 17) und ist es der dritte Takt des Rotors 2, wenn
der Rotor 2 fortlaufend auf dem Momentanpol 2B entgegen dem
Uhrzeigersinn über einen Winkel von 60º gedreht wird, um zur
Anlage an der Zylinderwand A zurückzukehren. (Siehe Fig. 18 bis
21). Unter diesen Umständen werden drei Takte des Rotors
fortlaufend über die drei Enden eines regelmäßigen Dreiecks
durchlaufen, die einen Zyklus bilden. Das bedeutet, das bei jedem
Umlauf des Rotors 2 drei Takte abgeschlossen werden, wobei jeder
Takt eine Volumenänderung an den gegenüberliegenden beiden
Seitend des Rotors 2 bewirkt, und die zirkulatorische
Volumenänderung die Funktion der Brennkraftmaschine erfüllt.
D. Beschreibung von Otto-Motor-Zyklen
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Gemäß Fig. 12 bis 15 bewegt sich der Rotor 2 von der
Zylinderwand A zur Zylinderwand C während des ersten Taktes, wobei
das Volumen an der Zylinderwand A (siehe Fig. 13) zur Ausführung
von zwei Otto-Takten, d. h. dem Ansaugen des Brennstoffgases und
seiner Zündung ausgedehnt wird, und das Volumen an der
Zylinderwand C zur Ausführung der Kompression oder des Ausstoßes des
Gases verkleinert wird. Wenn die Zylinderwand A für das Ansaugen
von Kraftstoffgas bestimmt ist (siehe Fig. 13) und die
Zylinderwand C für den Gasaustoß bestimmt ist, dann beginnt der Rotor
2 einen zweiten Takt, um dicht an der Zylinderwand B (Fig. 15
bis 17) nach dem Ende eines ersten Taktes (Fig. 12 bis 15)
umzulaufen. In dieser Situation kommt das Gas an der Zylinderwand B
in einen Kompressionstakt und kommt der Zwischenraum an der
Zylinderwand C, der gerade in angemessener Weise ausgeblasen
worden ist, in einen Kraftstoffgasansaugtakt. In derselben Weise
kommt das Volumen an der Zylinderwand B im dritten Takt in einen
Explosionstakt und kommt das Volumen an der Zylinderwand A in
einen Kompressionstakt. Nachdem drei verschiedene Takte
ausgeführt sind, kehrt der Rotor 2 in seine Ausgangsposition zurück.
Die Umlaufbewegung des Rotors 2 wird immer wiederholt. Es
ergeben sich somit vier Otto-Motor-Zyklen (siehe Anhang 1). Nachdem
in der dargestellten Weise der Rotor 2 zwölf Takte durchlaufen
hat, wird ein großer Zyklus erneut beginnen, d.h. beginnt der
Otto-Zyklus wiederum, nachdem der Rotor 2 sowie die Achsen 33
vier Umläufe längs eines Kreises im Zylinderblock 1 ausgeführt
haben, in denen jeweils sechsmal Gas angesaugt, komprimiert, zur
Explosion gebracht und ausgestoßen wurde, was insgesamt 24
Arbeitstakte bedeutet. Im Vergleich mit einer herkömmlichen
Viertakt-Hubkolbenmaschine (immer wenn deren Achse sich um vier
Umläufe des Otto-Zyklus gedreht hat, sind insgesamt acht
Arbeitstakte ausgeführt) oder einer Zweitaktmaschine (jedesmal
wenn sich die Achse über vier Umläufe des Otto-Zyklus gedreht
hat sind 16 Arbeitstakte ausgeführt) führt die Maschine der
vorliegenden Erfindung mehr Arbeitstakte aus (3 mal mehr als
eine Viertaktmaschine oder 1,5 mal mehr als eine
Zweitaktmaschine). Wenn die Erfindung so abgewandelt wird, daß sie in Form
eines Zweitakt-Otto-Zyklus ausgebildet wird
(Kraftstoffgasansaugen und Gasausstoßen erfolgen gleichzeitig), kann ihre
Ausgangsleistung verdoppelt, d. h. auf das Sechsfache der Leistung
gegenüber einer herkömmlichen Viertaktmaschine und auf das
Dreifache der Leistung der herkömmlichen Zweitaktmaschine mit
aquivalenter Zylinderkapazität jedoch bei wesentlich kleinerem Volumen
erhöht werden.
E. Kühlung
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Ähnlich wie bei einer herkömmlichen Hubkolbenmaschine kann
die Kühlung der Zylinderwand der Maschine gemäß der Erfindung
über eine Wasserkühlung oder eine Luftkühlung erfolgen. Die
Kühlung des Innenraums des Rotors 2 erfolgt jedoch in anderer
Weise. Ein gemischtes Kühlkraftstoffgas wird vor dem Ansaugen
des Kraftstoffgases in den Zylinderblock 1 geführt, so daß es
über den Überschneidungsbereich 102 geht und dann in die
Kraftstoffgasansaugöffnung eintritt. Der größte Teil der Wärme im
Inneren des Rotors 2 wird somit vom Zylinderblock 1
herausgeführt, so daß das Gemischverhältnis des Kraftstoffgases erhöht
und der Verbrennungswirkungsgrad verbessert wird.
F. Schmierung
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Durch den Eintritt des Gemisches aus Benzin und Maschinenöl
(normalerweise im Verhältnis von 50 : 1) in den Zylinderblock 1
der Maschine der Erfindung werden gleichzeitig die Mechanismen
der Maschinen geschmiert, wobei die Kurbelwelle 33 und die
Laufräder 21, 22 gleichfalls intern durch das gemischte
Kraftstoffgas geschmiert werden, das zum Zwecke der Kühlung eingeleitet
wird. Es gibt ein anderes Verfahren, die sich drehenden
mechanischen Bauteile durch komprimiertes Maschinenöl zu schmieren, das
durch eine Bohrung 331 an einer der Achsen 33 zu den
fächerförmigen Rädern 34 und der Kurbelwelle 32 eintritt (siehe Fig. 3).
Wenn der Rotor 2 angehalten ist, wird das Maschinenöl im Inneren
des Rotors 2 aus dem Rotor 2 über bilaterale Ablaufbohrungen 121
abgeführt (siehe Fig.1) und zwar zu einer außen angeordneten
Maschinenölwanne zur weiteren Zirkulation. Während des Umlaufes
des Rotors 2 wird das Maschinenöl durch den Rotor 2 so
geschüttelt, daß es über die Laufräder und deren Wellen und die Rollen
spritzt. Da die Achsen 33 einen Kreisumlauf ausführen, wenn der
Rotor 2 über drei Takte umläuft, wird während jedes Taktes der
Umlaufbewegung des Rotors 2 Maschinenöl im Inneren des Rotors 2
dazu gebracht, ein Zentrifugalträgheitsmoment und ein
Zentripedalträgheitsmoment relativ zu den beiden gegenüberliegenden
Seiten des Motors 2 zu erzeugen. Das Maschinenöl wird unter dem
Zentripedalträgheitsmoment dazu gebracht, durch eine
Spiralbohrung 3111 (siehe Fig. 3) zu einer außen liegenden
Maschinenölwanne zur nächsten Zirkulation umzulaufen. Durch diese
Zirkulation wird der interne Mechanismus des Rotors 2 gut geschmiert
und gekühlt, so daß kein übermäßig großes Volumen an Maschinenöl
aus dem Eintritt in Zylinderblock 1 im Inneren des Rotors 2
bleiben kann, was es notwendig macht, daß das Maschinenöl die
Innenwandfläche des Zylinders 1 zur Schmierung der Sperre 212 zu
überzieht.
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Wenn die Erfindung als eine großformatige Maschine oder ein
Kompressor (Fregatte, Schiffe, Lokomotive oder sogar
Industriegroßkompressor oder Leistungsgenerator usw.) ausgebildet wird,
muß die Schmierung der Sperren und oberen Rollen in anderer
Weise erfolgen, wie es im folgenden beschrieben wird. Die
Laufräder und die fächerförmigen Räder sind am Umfang mit gezahnten
Bereichen 2121 zur Ineingriffnahme (siehe Fig. 22, 23)
ausgebildet und die Achse jedes Laufrades ist als Schraubenpumpe 218
ausgebildet. Die Drehbewegung der Laufräder saugt eine geeignete
Menge an Maschinenöl von zwei gegenüberliegenden Enden an, die
durch den Zentrifugaleffekt im Inneren des Rotors gesammelt
wird, und führt dann das angesaugte Maschinenöl in einem Strom
durch die Ölbohrungen 216 (siehe Fig. 8) zu den Sperren und
Rollen. Die Sperren und Rollen können in dieser Weise während
eines Hochtemperaturbetriebes oder Hochdruckbetriebes angemessen
geschmiert werden.
Vorteile verglichen mit der herkömmlichen Maschine
A. Gegenüber Hubkolbenmaschinen
1. Mechanische Eigenschaft:
1) Es wird keine Pleulstrange benötigt
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Die Erfindung macht keine Pleulstange erforderlich und
läuft nicht unaufhörlich längs eines runden Kreises um. Es gibt
eine gewisse Schräge im Vorwärtslauf des Rotors ausgehend von
einem Totpunkt, um zu vermeiden, daß die Explosionskraft direkt
vertikal auf die Kurbelwelle wirkt. Beschädigte oder gerissene
Pleuelstangen können vermieden werden.
2) Das Zylinderverschleißproblem ist beseitigt
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Bei einer Hubkolbenmaschine wird während der Übertragung
zwischen einer Drehbewegung (Kurbelwelle) und einer linearen
hin- und hergehenden Bewegung (Kolben) der Kolben wiederholt
durch eine Pleuelstange gehalten, wodurch ein Teil der
tangentialen Kraft von dieser Übertragung zu einem Verkratzen der
Zylinderwand führt was weiterhin die Kompression nachteilig
beeinflußt. Da es keine Pleuelstange bei der vorliegenden
Erfindung gibt, kann dieses Problem beseitigt werden.
3. Es ergibt sich ein hohes Drehmoment:
-
Der Rotor der Erfindung (das Äquivalent eines Kolbens bei
einer Hubkolbenmaschine) wirkt auf eine Kurbelwelle über eine
Hebelbewegung (längerer Kraftarm), so daß weniger Kraft
erforderlich ist. In derselben Weise kann eine stärkere
Explosionskraft und ein stärkeres Drehmoment erzielt werden (direkt
proportional zur Länge des Kraftarmes). Selbst wenn die Maschine
somit mit einer niedrigen Drehzahl arbeitet, kann dennoch eine
hohe Leistung erzielt werde.
4. Ein kurzer Takthub ist ausreichend
-
Sobald die Achsen gemäß der Erfindung ein drittel Umlauf d.
h. eine Bewegung über einen Winkel von 120º ausgeführt haben,
ist ein vollständiger Takt abgeschlossen, während das erst bei
180º bei einer Hubkolbenmaschine der Fall ist. Der kurze Hub des
Umlauftaktes mit ausreichend längerer Verdrängung der Ottozyklen
ergibt einen hohen Wirkungsgrad und erzeugt ein ausreichende
Leistung.
5. Es werden geringere Schwingungen erzeugt:
-
Die im wesentlichen als Drehbewegung auftretende Bewegung
gemäß der Erfindung erzeugt weniger Schwingungen als die
Linearbewegung herkömmlicher Hubkolbenmaschinen.
6. Es sind ein geringeres Gewicht und ein geringerer Platz
erforderlich:
-
Der Einrotorzylinder gemäß der Erfindung ist äquivalent zu
drei vergleichbaren Kolbenmaschinen (ein gemeinsamer
Kurbelwellensatz, in einem Zylinderblock, der drei Zylinderwände
aufweist), so daß die Größe und das Gewicht stark herab gesetzt
werden können und ein hohes Leistungsgewichtverhältnis erzielt
werden kann, daß das für Militärdienste am schlechtesten
erfüllte Erfordernis ist.
7. Es wird ein hohes Kompressionsverhältnis erzielt:
-
Die erfindungsgemäße Ausbildung kann wirksam das
Kompressionsverhältnis erhöhen und ihre hebelartige Bewegung des
Drehtaktes kann wirksam Kompressionswiderstände ausschalten.
8. Der Spannungstensor wird gleichmäßig verteilt:
-
Die Stellen, an denen Spannungen vom Rotor (äquivalent
einem Kolben) bei der erfindungsgemäßen Ausbildung liegen, sind
nicht nur die Kurbelwelle sondern auch das fächerförmige Rad,
wobei letzteres ein großes Maß an Spannungen während der
Anfangsexplosion aufnimmt, was zur Folge hat, daß der Aufbau des
Kurbelwellensystems dauerhafter ist und eine längere Lebensdauer
hat.
2. Leistung
1) Gleiches Zylindervolumen:
-
Die erfindungsgemäße Ausgangsleistung beträgt annähernd das
Dreifache einer vergleichbaren Viertakthubkolbenmaschine oder
das 1,5-fache einer vergleichbaren Zweitakt-Hubkolbenmaschine
(siehe Anhang 1). Die Erfindung kann auch als
Zweitakt(Zyklus)maschine ausgelegt werden, um die Ausgangsleistung
zu verdoppeln, so daß Energiekosten in dramatischer Weise
eingespart werden können.
2) Trägheitsmoment:
-
Ein Umlauf über 60º des Rotors der Erfindung erzeugt ein
Drehträgheitsmoment, das annähernd dreimal über die Bewegung
eines linear über 180º hin und her laufenden Hubkolbens anliegt.
3. Kraftstoffluftgemisch:
-
Die Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches über die
erfindungsgemäße Umlaufbahn ist ersichtlich wesentlich besser als bei
einer Maschine mit geradlinigem Ansaugen des Kraftstoffgases.
4. Ansaugen des Kraftstoffgases und Gasauspuff:
-
Gleichgültig welcher Art die Maschine ist, kann der
Wirkungsgrad des Ansaug- und Auspufftaktes allein durch die
Vergrößerung der sogenannten Öffnungsbereiche verbessert werden.
Bei einer herkömmlichen Hubkolbenmaschine sind die
Kraftstoffgasansaugöffnungs- und Auspufföffnungsbereiche im Zylinderkopf
beschränkt. Bei der Erfindung werden die
Kraftstoffgasansaugöffnungen und die Auspufföffnungen von zwei der drei Zylinderwände
gleichzeitig zur Zirkulation verwandt. Es können auch mehr
Öffnungen je nach Notwendigkeit über den längeren Weg am
Zylinderblock zusätzlich vorgesehen werden. Das bedeutet, daß die
sogenannten
Öffnungsbereiche stark vergrößert werden können. Eine
bessere thermodynamische Zirkulation wird erzielt und die
Luftverschmutzung kann gleichfalls so gering wie möglich gehalten
werden.
B. Gegenüber einer Wankelmaschine
1. Gleichmäßige Temperatur
-
Bei einer Wankelmaschine erfolgt der Verbrennungstakt an
einem festen Bereich, um in günstiger Weise einen Schmiereffekt
an der örtlichen Zylinderwand und der Sperre des Rotors zu
erzielen, und eine gleichmäßige Temperatur im Inneren des
Zylinders kann nicht erhalten werden. Diese Probleme werden bei der
Erfindung beseitigt, da der Explosionstakt im Mittel in den drei
Zylinderwänden erfolgt.
2. Sperre:
-
Die Sperre am scharfen Ende des Rotors in einer
Wankelmaschine reibt in Vorwärtsrichtung an dem Flankenteil des
Zylinderblockes unter einem scharfen Winkel. Es können daher eine
starke Schwingung und eine Beschädigung an der Zylinderwand
sowie Schleifmarken nicht vermieden werden, selbst wenn das
Material verbessert wird. Die Sperre am Scheitel liefert
gleichfalls keine gute Luftabdichtung gegenüber dem Explosionsdruck.
Die Sperre am scharfen Ende des Rotors gemäß der Erfindung ist
jedoch so gehalten, daß sie an den drei Zylinderwänden des
Zylinderblockes über einen vertikalen Winkel von 90º wie bei einer
herkömmlichen Maschine gleitet, so daß der Reibungswiderstand
und die Luftdichtungsprobleme so gering wie möglich sind.
3. Drehmoment:
-
Da eine Wankelmaschine einen Rotor verwendet, der auf einer
Hauptwelle entlang einer Peritrochoide rotiert, kann ein hohes
Drehmoment nicht erzielt werden und kann eine hohe
Ausgangsleistung nur über eine Erhöhung der Drehzahl erhalten werden. Das
bedeutet, daß die Maschine bei niedriger Drehzahl nicht gut
arbeitet und keine gute Leistung liefert. Wie oben beschrieben,
kann die Erfindung ein hohes Drehmoment erzeugen.
4. Ansaugen des Kraftstoffgases und Gasauspuff:
-
Bei einer Wankelmaschine überlappen die
Kraftstoffgasansaugöffnung und die Auspufföffnung einander, wenn der Rotor über
einen gegebenen Winkel gedreht wird. Unter diesen Umständen wird
die Zirkulation des Gases nachteilig beeinflußt. Bei der
Erfindung werden Kraftstoffgasansaugöffnungen und Auspufföffnungen an
zwei der drei Zylinderwände während des gleichen Taktes zur
Zirkulation benutzt. Eine bessere thermodynamische Zirkulation wird
erzielt und die Luftverschmutzung kann gleichfalls so gering wie
möglich gehalten werden.