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Kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschine
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insbesondere zur Ausführung thermodynamischer Kreisprozesse Die Erfindung
betrifft eine kreiskolbenartige Umlaufkolbenmaschine, insbesondere zur Ausführung
thermodynamischer Kreisprozesse, mit trochoidischer Laufbahn in einem torusförmigen
Stator.
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Durch die Erfindung soll eine Verbesserung der bekannten Umlaufkolbenmaschinen
erzielt werden, die nach dem Otto- und Dieselprinzip im Zwei- und Viertakt arbeiten.
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Jedoch soll die Umlaufkolbenmaschine auch als Dampfmaschine, Gaskompressor
oder Pumpe einsetzbar sein. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, eine solche
Umlaufkolbenmaschine einfacher herstellen zu können, trotzdem aber einen gleichmässigen
harmonischen Lauf zu erreichen.
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Die erfindungsgemässe Umlaufkolbenmaschine ist dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Umlaufkolben auf einem zentrisch zum Stator angeordneten Trägerrotor
jeweils um eine zur Umlaufebene senkrechte Achse schwenkbar gelagert und gleichmässig
auf dem Umfang des Trägerrotors verteilt sind und während des Umlaufes an der pseudotrochoidisch
gebildeten Laufbahn des Stators anliegen.
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Bevorzugt ist die Anzahl der Umlaufkolben so gewählt, daß eine symmetrische
Anordnung möglich ist.
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Durch die erfindungsgemässe Ausbildung führen die Umlaufkolben, während
sie auf der pseudotrochoidischen Innenlauffläche des Stators gleiten, eine Schwingbewegung
aus. Die wesentlichen Prinzipien und Vorteile, die daraus resultieren, sind folgende:
a) Die Schwenkachse der Umlaufkolben beschreibt bezüglich dem Trägerrotor eine Kreisbahn
entsprechend der Absolutbewegung des ganzen Systems, woraus eine grössere Vereinfachung
bezüglich der kinematischen Verhältnisse resultiert.
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b) Jeder Umlaufkolben ist theoretisch als ein Rechteck ausgelegt,
das sich um seine kleine Symmetrieachse dreht und dabei die Seiten, die den axialen
Dichtkanten entsprechen, parallel zu der Haupt-Drehachse hält. Die Seiten liegen
in gleitendem Kontakt mit der pseudotrochoidischen Innenlaufbahn des Stators.
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Die beiden anderen Seiten des Rechtecks, die senkrecht zu der Haupt-Drehachse
verlaufen, bilden im Prinzip die seitlichen Abdichtungen, die in Dichtkontakt mit
der Innenseite von seitlichen Deckeln der Maschine oder mit Scheiben stehen, die
zusammen mit dem Trägerrotor umlaufen.
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c) Der Radius der Kreisbahn, die von der Schwenkachse der Umlaufkolben
durchlaufen wird, ist grösser als derjenige der Umlaufbahn der Kolben in allen bisher
bekannten Kreiskolbenmaschinen. Das erlaubt eine Schwingung der Umlaufkolben, bei
der geringere Schwingbeschleunigungen an den axialen Dichtkanten
auftreten
und folglich eine bessere Anpassung der axialen Dichtkanten an die Innenlaufbahn
des Stators die Folge ist. Die Kreisbahn bildet somit eine sichere Bewegungsbahn
für die Umlaufkolben.
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d) Ein anderer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Maschine
resultiert aus der Symmetrie und Eindeutigkeit der pseudotrochoidischen Innenlaufbahn
des Stators. In einer bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, daß die Kontur der
pseudotrochoidischen Laufbahn des Stators von einer theoretischen Trochoidenkurve
abgeleitet ist, die durch abwechselnd angeordnete und miteinander verbundene erste
und zweite Kurvenstücke zu einer stetigen geschlossenen Kurve geformt ist, und daß
die Kontur der pseudotrochiodischen Laufbahn die Einhüllende von Kreisen mit dem
Radius der axialen Dichtkanten ist, deren Mittelpunkte auf der theoretischen Trochoidenkurve
liegen.
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Es hat sich in der Tat gezeigt, daß ein bestimmtes Führungsprofil
(erste Kurvenstücke) es erlaubt, geeignete entsprechend geführte Profile (zweite
Kurvenstücke) aufzufinden und folglich ein äußerst harmonisches, geschlossenes und
eindeutiges Gesamtprofil zu erhalten. Die so bestimmte theoretische Trochoidenkurve
entspricht beispielsweise einem ursprünglich regelmässigen Polygon.
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Dieses kann 4, 6, 8 usw. Seiten haben.
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e) Der t.hermodynamische Kreisprozeß, der gegebenenfalls ausgeführt
werden soll, läuft in dem Raum einer umlaufenden Kammer ab, die zwischen der pseudotrochoidischen
Innenlaufbahn des Stators und der Außenfläche jeweils eines Umlaufkolbens gebildet
ist.
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Letztere stimmt zweckmässigerweise mit der Fläche überein, die durch
ein erstes Kurvenstück der KQntur der Statorlaufbahn gebildet wird. Da zwischen
den beiden Flächen eine Brennkammer ausgebildet werden kann, führt dies im Ergebnis
dazu, daß erheblich höhere Verdichtungsverhältnisse (15 bis 25 : 1) als in den bisher
ausgeführten Maschinen erzielbar sind. Dies liegt daran, daß Toträume, wie sie in
den Zylinderköpfen insbesondere im Bereich der Steuerventile auftreten, vermieden
werden.
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Die Zyklusleistung ist daher entsprechend höher.
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f) Die erfindungsgemässe Umlaufkolbenmaschine kann mittels einfacher
Werkzeuge hergestellt werden, beispielsweise mittels einer Fräseinheit, deren Bewegung
exakt mit der Bewegung der axialen Dichtkanten der Umlaufkolben übereinstimmt. Das
hat zur Folge, daß die Einstellung der Maschine praktisch perfekt ausgeführt werden
kann.
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g) Das"tatsächliche Profil" der Innenlaufbahn des Stators ist das
Ergebnis eines Fräs- oder Schneidvorganges mit einem zylindrischen Stirnfräser od.dgl.,
dessen Achse parallel zur Haupt-Drehachse im Stator liegt und längs der theoretischen
Trochoidenkurve geführt wird, die oben als Zusammensetzung von ersten Kurvenstücken
erläutert ist, zwischen die zweite Kurvenstücke eingeschaltet sind. Das auf diese
Weise erhaltene Profil wird hier und im folgenden als "pseudotrochoidisch" bezeichnet.
Es löst die bisher bestehenden Probleme der Verbindung und Anlage zwischen den Kolben
und dem Stator in besonders vorteilhafter Weise.
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h) Aufgrund der Form der Dichtkanten und der Maschinenbewegung ist
der Verschleiß der beweglichen Teile selbstkompensierend.
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i) Die Schmierung der beweglichen Teile der Maschine (Trägerrotor,
Scheiben, Umlaufkolben) und der Druckdichtungen lässt sich optimal durchführen.
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j) Die Kühlung des Stators ist entsprechend den Anforderungen an
die Verwendungsart der Maschine ausführbar. Dabei ist insbesondere die Kühlung der
Umlaufkolben in der Maschine bedeutsam, weil diese so leicht zugänglich sind.
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k) Die Leistung je Gewichtseinheit der Maschine (kW/kg) ist extrem
hoch und übersteigt beträchtlich diejenige bestehender Verbrennungskraftmaschinen.
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Aus den vorstehend speziell ausgeführten Prinzipien und Vorteilen
ergibt sich, daß bei Massenproduktion die Herstellungkosten gering und auch die
Wartungskosten sehr niedrig sind. Die erfindungsgemässe Umlaufkolbenmaschine ist
insbesondere für Anwendungsarten geeignet, bei denen hohe konzentrierte Leistungen
gefordert werden, z.B.
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Schiffsmaschinen, Lokomotiven, Landstrassen-Transportern und selbst
Flugmaschinen, insbesondere Hubschraubern.
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Ersichtlich ist auch die Anwendung für hochbelastbare Niederdruck-
und Hochdruck-Kompressoren möglich.
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Die konstruktiven Möglichkeiten der Brennstoffzuführung zur erfindungsgemässen
Umlaufmaschine sind so vielgestaltig, daß der Betrieb der Maschine mit jeder bekannten
Brennstoffart gewährleistet ist, sei es herkömmliches Benzin, Dieselöl, Paraffin,
Kerosin oder seien es gasförmige oder vergaste feste Brennstoffe, z.B. Wasser-Kohlengas.
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Anhand der Fig. 1 und 2 der beiliegenden Zeichnungen wird im folgenden
das bevorzugte Auslegungsprinzip für die Geometrie der Laufbahn des Stators erläutert:
Die Kontur der Laufbahn des Stators setzt sich zusammen aus ersten geraden Kurvenstücken
sowie aus zweiten gekrümmten Kurvenstücken, die aus trochoidischen Anschlüssen an
die ersten Kurvenstücke entwickelt werden.
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Die jeweiligen Kurvenstücke sind abwechselnd so angeordnet, daß sie
in einer Ebene eine stetige geschlossene Kurve bilden.
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Die theoretische Trochoidenkurve wird unter Bezugnahme auf Fig. 1
folgendermassen entwickelt: Es wird ein Koordinatensystem so festgelegt, daß der
Nullpunkt 0 des Koordinatensystems im geometrischen Zentrum des Stators liegt, während
die X- und die Y-Achse parallel zu den nächstliegenden ersten Kurvenstücken verlaufen
(s. Fig. 1). Die Koordinaten eines allgemeinen Punktes P (y) eines konjugierten
zweiten Kurvenstückes bezüglich des Punktes A (R, Ya), der über das erste Kurvenstück
dem Punkt C nachläuft, sind in diesem Koordinatensystem folgende: (1) x = R cos
Q - 1 sin y = R sin # + 1 cos Aufgrund kinematischer und geometrischer Überlegungen
erhält man folgende Beziehungen zwischen den Parametern R , P , R und 1: (Bezüglich
deren Bedeutung s. Fig. 1, 2) @@@@@ @@@ @ @@@ @@ 2 # (2) 2 R = (1 + ri)l
Durch
Einführung dieser Ausdrücke in die Gleichungen für die Koordinaten des Punktes P
erhält man: (3) x = (1 + #2)1 cos@ - 2(1 + #2)1 sin2 #/2
Ausgedrückt als Funktion von sind erhält man wiederum 2 (4) x = 1 (1 + #2) (1 -
2 sin2 #/2 - 2 sin2 #/2
2# Aus dem Ausdruck für x findet man den Wert von sin-2 zu: (5) x sin2 #/2 = 1/4
(1 - -1 (1 + @ Eingesetzt in den Ausdruck für y ergibt das in kartesischer Schreibweise
die Gleichung für den Kurvenbogen BB', der das zweite Kurvenstück der Trochoidenkurve
darstellt:
Um nunmehr die tatsächliche "pseudotrochoidische" Kurve zu erhalten, genügt es,
die außen liegende Einhüllende der Kreise zu inden, die mit ihrem Mittelpunkt auf
den Punkten P liegen und einen Radius r, nämlich entsprechend
dem
Radius der axialen Dichtkanten, haben.
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Diese Ermittlung der pseudotrochoidischen Kurve B''B''' ergibt sich
aus folgendem: Wie erwähnt, bestimmt sich die Gleichung der tatsächlichen Kurve,
die parallel zu der vorangehend bestimmten theoretischen verläuft, als die Einhüllende
der Kreisfamilie, deren Mittelpunkte auf der theoretischen Kurve gemäß obiger Definition
mit den bestimmten Punkten ( α, ß ) liegen und deren Kreise den Radius r (denjenigen
der Dichtkanten)haben (s. Fig. 2). Die Gleichung dieser Kreisfamilie lautet: (7)
(x -α)2 + (y -ß)2 = r2 worin α und * miteinander durch die Gleichung
der Trochoidenkurve, wie sie oben bestimmt ist, verknüpft sind. Es ergibt sich:
sodaß als Ergebnis die Gleichung der genannten Kreisfamilie von einem einzigen Parameter
abhängt. Die Bedingung für die Einhüllende dieser Kreisfamilie ist, daß die Ableitung
nach dem genannten Parameter (in diesem Fall) verschwindet, d.h.
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es gilt: (9) (x-α) + (y - ß)-ßα' = o Da * (e ) bekannt
IStr lässt sich die Ableitung finden und in den Ausdruck (9) einführen, so daß man
ein
Gleichungssystem erhält, aus dem der Parameter entfernt wird.
Auf diese Weise erhält man die Gleichung der tatsächlichen pseudotrochoidischen
Kurve. Das zu lösende Gleichungssystem zur Ermittlung der gekrümmten Kurve ist nachfolgend
angegeben: (1o) (x - α)2 + (y - ß)2 = r2 (x - α) + (y - ß)ßα'
= o
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, aus dem weitere Grundgedanken
hervorgehen, wird nachfolgend anhand der beiliegenden Figuren 3 bis 7 näher erläutert.
Diese Figuren zeigen: Fig. 3 eine schematische Gesamtansicht der Maschine, teilweise
geschnitten, wodurch das Innere offengelegt ist; Fig. 4a eine mögliche Ausführungsform
für die Kontur der Statorlaufbahn; Fig. 4b die pseudotrochoidische Kontur der Statorlaufbahn
entsprechend der Trochoidenkurve gemäß Fig. 4a; Fig. 5a, b Querschnitte der zwischen
der Statorlaufbahn und den äußeren Flächen der Umlaufkolben während des Umlaufes
entstehenden Räume; Fig. 6a, b Stirn- und Seitenans-icht des Trägerrotors für eine
Maschine mit fünf Umlaufkolben; Fig. 7a einen Längsschnitt durch einen Umlaufkolben,
und Fig. 7b eine Seitenansicht eines Umlaufkolbens mit einer unabhängigen Seitenabdichtung
und einer axialen Abdichtung.
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In Fig. 3 ist mit Bezugszeichen 1 ein mit vier gekrümmten Abschnitten
ausgestatteter torusförmiger Stator in Blockform bezeichnet. Der Stator 1 enthält
Kühlmittelkammern 2, die bei Bedarf mit Förderflügeln ausgestattet sein können,
und auf einer Seite des Stators 1 sind Lufteinlässe 3 angeordnet. Gegenüber davon
liegen Auslaßöffnungen 4 für Auspuffgase. Weiterhin sind an dem Stator 1 Kühlmitteleinlaß-
und Auslaßöffnungen 13 einander gegenüberliegend
angeordnet.
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In dem Stator 1 ist eine Welle 7 gelagert, mit der ein Trägerrotor
8 zur Kraftübertragung an die Welle 7 oder umgekehrt verbunden ist. An dem Trägerrotor
8 sind umfänglich kreissegmentförmige Ausnehmungen vorgesehen, in denen Umlaufkolben
5 schwenkbar gelagert sind. Die Umlaufkolben S besitzen axiale Dichtkanten 6, die
parallel zur Achse der Welle 7 verlaufen. In dem Trägerrotor 8 sind Schmierkanäle
14 ausgebildet, die zu den Lagerausnehmungen für die Umlaufkolben 5 führen.
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Im Bereich einer geradlinig verlaufenden Strecke der Stator Laufbahn
ist eine Einspritzdüse 9 für Brennstoff im Stator 1 ausgebildet, um einen Dieselprozeß
in der Maschie durchzuführen.
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Die Umlaufkolben 5 weisen einen zentralen Teil 10 auf, mit dem sie
in die Lagerausnehmungen des Trägerrotors 8 eingepasst sind, um eine Schwenkbewegung
ausführen zu können.
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Außerdem ist aus der zeichnerischen Darstellung in Fig. 3 erkennbar,
daß die nach außen weisende Fläche der Umlaufkolben 5, die zwischen den beiden axialen
Dichtkanten 6 liegt, Ausnehmungen aufweisen kann. Auch besitzen die Umlaufkolben
5 seitliche Dichtleisten 11, die gegenüber Seitenabdeckungen 12 der Maschine abdichten.
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Wie erwähnt, stellt die in Fig. 3 gezeigte schematische Ausführungsform
eine Maschine zur Durchführung eines Dieselprozesses dar; es versteht sich, daß
auch für den Ottoprozeß oder für einen Kompressor entsprechende Ausführungen leicht
abgeleitet werden können.
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In dem Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung von fünf Umlaufkolben
5 gewählt. Es ist jedoch möglich, daß auch 2, 3, 4 oder 6 Umlaufkolben entsprechend
der Anzahl von Zyklen angeordnet werden können, die bei jeder Wellenumdrehung ausgeführt
werden'sollen. Dabei ist angenommen,
daß vier gekrümmte Laufbahnabschnitte
im Stator 1 vorhanden sind.
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Die Fig. 4a zeigt eine angenäherte Form der Kontur für die Innenlaufbahn
des Stators 1 für n = 4. Das ist die Trochoidenkurve, die sich aus n ersten geradlinigen
Kurvenstücken und aus n zweiten gekrümmten Kurvenstücken zusammensetzt. Die Fig.
4b stellt die pseudotrochoidische Kurve dar, die effektiv das Innenprofil des Stators
1 bildet. Die praktische Gestaltung der pseudotrochoidischen Kurve gemäß Fig. 4b
wird mittels eines Fräswerkzeuges erhalten, dessen Bewegung identisch ist mit derjenigen,
die die axialen Dichtkanten 6 der Umlaufkolben 5 beschreiben.
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Die Fig. 5a zeigt schematisch die Kontur der umlaufenden Kammerräume,
die zwischen den Umlaufkolben 5 und der Laufbahn gebildet werden, am Ende des Ausstosses
und zu Beginn eines erneuten Ansaugung. Das Volumen ist in dieser Phase minimal.
Die Fig. 5b zeigt die Kontur dieser Kammerräume bei maximalem Volumen.
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Die Fig. 6 zeigt einen Trägerrotor 8 für fünf regelmässig auf dem
Umfang verteilte Umlaufkolben 5. Wie bereits erwähnt, ist diese Ausführungsform
nicht die einzig mögliche. Aus Fig. 6b geht die Art der Verbindung zwischen der
Welle 7 und dem Trägerrotor 8 hervor, ebenso die scheibenförmige Ausbildung des
Trägerrotors 8. Die Welle 7 wird bevorzugt hohl ausgeführt, um eine Innenschmierung
verwirklichen zu können.
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Aus den Fig. 7a, b geht die Gestaltung der Umlaufkolben 5 und der
daran angeordneten bzw. mit diesen zusammenwirkenden Abdichtungen 6 und 11 genauer
hervor.
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