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(11) | EP 0 025 071 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Hubkolbentriebwerk |
| (57) Es wird ein Hubkolbentriebwerk mit kreisrunden, umlaufenden Kolben (50) und umlaufenden
Zylindern (40) angegeben, wobei eine Exzenterwelle (30) mit zwei um 180° versetzten
Exzentern in einem aus Seitenscheiben (20) und einem kreisförmigen Außenring (10)
bestehenden Gehäuse (60) so gelagert ist, daß der Mittenversatz der Wellenlagerung
genau der Exzentrizität der Exzenterwelle entspricht. Dabei ist ein Zylinderkörper
(40) mit zwei um 90° versetzten Zylinderbohrungen in den Seitenscheiben (20) des Gehäuses
(60) gelagert, wobei diese Lagerung zentrisch zum Gehäuse (60) angeordnet ist. In
dem Zylinderkörper (40) sind zwei Kolben (50) geführt, die so geformt sind, daß die
Kolbenenden für die Aufnahme normaler Kolbenringe geeignet sind. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Hubkolbentriebwerk mit zylinderförmigen umlaufenden Kolben und umlaufenden Zylindern nach der Gattung des Hauptanspruchs.
[0002] Bekannt ist der Hubkolbenmotor oder Otto-Motor mit Kolben, Kolbenpleuel und Kurbelwelle, wobei die Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches durch zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird. Dabei arbeiten diese Motoren nach dem Viertaktprinzip, d. h. die einzelnen Phasen Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen verlaufen getrennt und zeitlich nacheinander ab. Der Hubkolbenmotor mit der hin- und hergehenden Bewegung hat den Nachteil, daß ein vollständiger Massenausgleich nicht möglich ist.
[0003] Weiterhin ist die Rotationskolbenmaschine bekannt, die ebenfalls nach dem Viertaktprinzip arbeitet, also auch die einzelnen Phasen Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen aufweist, die getrennt voneinander verlaufen. und zeitlich nacheinander ablaufen. Bei diesen Motoren sind keinerlei Mittel notwendig, um die hin- und hergehende in eine drehende Bewegung umzuwandeln. Die Rotationskolbenmotoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß ein zuverlässig wirksames Abdichtungssystem nur sehr schwer und mit aufwendigen Mitteln zu erreichen ist.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hubkolbentriebwerk zu schaffen, daß ein zuverlässig wirksames Abdichtungssystem gemäß dem Kolben mit kreisrundem Querschnitt aufweist und einen vollständigen Massenausgleich ermöglicht.
[0006] Das erfindungsgemäße Hubkolbentriebwerk hat gegenüber dem klassischen Hubkolbenmotor vor allem den Vorteil, daß ein vollständiger Massenausgleich erzielt wird. Darüber hinaus wird in Relation zum Bauvolumen ein hoher Gasdurchsatz erreicht.
[0007] Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Hubkolbentriebwerks im Schnitt im verkleinerten Maßstab nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht nach Fig. 1 eines Hubkolbentriebwerks im Schnitt nach der Erfindung und
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Bewegungsablaufs eines Hubkolbentriebwerks nach der Erfindung.
[0008] Nach Fig. 1,2 ist eine Doppelcxzenterwelle 30 mit zwei um 180° versetzten Exzentern in einem Gehäuse 60, das aus Seitenscheiben 20 und einem kreisförmigen Außenring 10 besteht, so gelagert, daß der Mittenversatz der Wellenlagerung genau der Exzentrizität der Exzenterwelle entspricht. Ein Zylinderkörper 40 mit zwei um 90 versetzten Zylinderbohrungen ist ebenfalls in den Seitenscheiben 20 des Gehäuses 60 gelagert. Diese Lagerung ist jedoch zentrisch zum Gehäuse angeordnet. In dem Zylinderkörper 40 sind zwei Kolben 50 geführt, die so geformt sind, daß die Kolbenenden für die Aufnahme normaler Kolbenringe geeignet sind. Der Mittelteil der Kolben 50 ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß er für die Aufnahme des Exzenterlagers geeignet und nur ein geringer Mittenversatz der beiden Kolben erforderlich ist.
[0009] Gemäß Fig. 3 sind aufgrund der Geometrie folgende Beziehungen gegeben:
und
wobei α der Drehwinkel des Zylinderkörpers, γ der Ergänzungswinkel zu 2 α , Δ der Drehwinkel der Exzenterwell 30, e die Exzentrizität der Exzenterwelle und der Mittenversatz der Wellenlagerung der Exzenterwelle vom Drehzentrum des Zylinderkörpers und M das Drehzentrum des Zylinderkörpers ist.
[0011] Beim Bewegungsablauf der Triebwerksteile, d.h. der Exzenterwelle 30, des Zylinderkörpers 40 und der Kolben 50, gelten dabei folgende Beziehungen:
1. Drehwinkel der Exzenterwelle = 2 x Drehwinkel des Zylinderkörpers, so daß eine 360° -Drehung der Exzenterwelle nur einer 180°-Drehung des Zylinderkörpers entspricht.
2. Kolbenhub = 4 x Exzentrizität der Exzenterwelle;
3. Kolbengeschwindigkeit = Hub . r ;
4. Kolbenbeschleunigung = ¼ . Hub . ω 2, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle und n die Drehzahl der Exzenterwelle ist.
[0012] Das Hubkolbentriebwerk arbeitet auch nach dem Verdrängersystem, bei dem abhängig von der Drehrichtung, auf der einen Seite eine Kompression und auf der Gegenseite eine Expansion des eingeschlossenen Hubvolumens stattfindet.
[0013] Im Gegensatz zum klassischen Hubkolbentriebwerk laufen die beiden Takte Kompression und Expansion nicht hintereinander, sondern vielmehr gleichzeitig ab.
[0014] Aufgrund der oben genannten Beziehungen sind schrittweise folgende Ableitungen zu ziehen:
a. Wird eine maximal zulässige Kolbengeschwindigkeit zugrunde gelegt, dann erreicht das erfindungsgemäße Hubkolbentriebwerk die doppelte Drehzahl des bekannten Hubkolbentriebwerks;
b. Wird eine maximal zulässige Kolbenbeschleunigung zugrunde gelegt, dann wird mit dem erfindungsgemäßen Hubkolbentriebwcrk die mit dem Faktor √2 multiplizierte höhere Drehzahl im Vergleich zum bekannten Hubkolbentriebwerk erzielt;
c. Die Gaskräfte der Expansion- und Kompressionsseite stehen sich unmittelbar am Kolben gegenüber, sp daß der Exzenterantrieb nur mit der Differenz der Kolbenkräfte belastet wird;
d. Die durch die wie Planeten umlaufenden Kolben hervorgerufenen Fliehkräfte laufen mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit synchron mit der Exzenterwelle um und sind durch die 180° - Anordnung der Exzenter nach außen hin aufgehoben. Jedoch verbleibt durch den kleinen axialen Mittenversatz der Kolben ein geringes umlaufendes Kippmoment, das durch die Anbringung kleiner Gegenmassen am Außenzapfen der Exzenterwelle vollständig ausgeglichen werden kann.
[0015] Bei einer Doppelanordnung von zwei solchen sogenannten Planetenkolbentriebwerken wird das Kippmoment auch ohne Gegenmassen systembedingt aufgehoben. Darüber hinaus ist auch eine Verwendung ungleicher oder asymmetrischer Kolben möglich, wobei diese Maßnahme jedoch nicht sonderlich vorteilhaft ist.
[0016] Der Zylinderkörper 40 kann unmittelbar zur Steuerung des Gaswechsels herangezogen werden. Dazu sind je nach Verwendungszweck des sogenannten Planetenkolbentriebwerks, zum Beispiel als Verdichter, Luftmotor oder als Verbrennungsmotor, im Außenring 10 des Gehäuses 60 entsprechend dem Arbeitsablauf, den Steuerzeiten und den gewünschten Verdichtungs- oder Expansionsverhältnissen, Öffnungen für den Gaseinlaß und den Gasauslaß vorzusehen. Dabei steht für den Gasdurchtritt die volle Zylinderkopffläche zur Verfügung, wobei das Zweitaktprinzip systembedingt ist. Gegenüber der bekannten Gaswechselsteuerung des klassischen Zwei-Takt-Hubkolbenmotors mit Zylinderschlitzen besteht jedoch beim Planetenkolbentriebwerk der Vorteil, daß Auspuffen, Spülen und Laden wie beim Viertaktmotor hintereinander ablaufen. Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß durch die Verwendung der Zylinderkopffläche als Gasdurchtritt kein wirksames Volumen verlorengeht.
[0017] Wird das Planetenkolbentriebwerk als Verbrennungsmotor verwendet, dann kann sowohl das Prinzip der inneren Verbrennung wie beim Otto- oder Dieselmotor als auch das Prinzip der äußeren Verbrennung, wie z.B. bei der Turbine und beim Taumelscheibenmotor, verwendet werden.
[0018] Die aufgrund der Besonderheiten des Planetenkolbentriebwcrks möglichen hohen Drehzahlen ergeben hohe Umfangsgeschwindigkeiten am Zylinderkörper 40. Für ein schnelles öffnen und Schließen der Gaskanäle sind beim Gaswechselvorgang hohe Geschwindigkeiten am Steuerteil erwünscht. Wie bei der Turbine bedingen die hohen Geschwindigkeiten jedoch eineberührungsfreie Abdichtung. Hierfür bietet das Planetenkolbentriebwerk gute Voraussetzungen, da
I. in Umfangsrichtung durch die 90°-Anordnung der Zylinder eine Zweistufigkeit des Druckfeldaufbaus gegeben ist;
II. zwischen den Zylinderräumen relativ lange Spaltstrecken zur Verfügung stehen und
III. in Radialrichtung die Seitenscheiben 20 mit den dem Druckfeldaufbau entsprechenden Labyrinthnuten ausgerüstet werden können.
[0019] Dabei bedingt die berührungslose Abdichtung jedoch gewisse Mindestdrezahlen, da die vom Druckgefälle abhängigen Spaltverluste bei niedrigem Durchsatzvolumen einen zu hohen Prozentsatz des durchgesetzten Gasvolumens ausmachen, so daß dann der Wirkungsgrad ungünstig beeinflußt wird.
[0020] Wenn das Planetenkolbentriebwerk als Langsamläufer oder bei mittelschnellen Drehzahlen verwendet, wird, dann sind die Zylinderräume durch eine schleifende Kopfabdichtung gegen Gasverluste abzusichern. Dabei empfiehlt sich eine besondere Dichtung, die bereits bei einer speziellen Art von Sternmotoren, den sogenannten Sklenannotoren, angewendet wurde. Bei dieser besonderen Dichtungsart ist die Innenfläche des Gehäuseaußenringes 10 kugelförmig ausgebildet, die um die Zylinderbohrungen angeordneten Dichtungsringe an der Dichtiläche ebenfalls kugelförmig ausgeformt sind. Infolge des im Planetenkolbentriebwerk systembedingten axialen Mittenwersatzes der Zylinderbolrungen zum Zentrum der kugeligen Innenfläche des Gehäuses sind die Dichtungsringe beim Gleiten auf der Innenfläche zu einer zusätzlichen Bewegung, einer sogenannten Läppbewegung, gezwungen, so daß die gesamte Dichtfläche relativ günstigen, da gleichmäßigen Verschleißbedingungen unterliegt. Der Dichtungsring selbst ist nicht geschlitzt und kann nach den bekannten Prinzipien der Druckentlastung gestaltet sein, so daß die Gaskräfte keine höhere, als für die Abdichtung erforderlich, spezifische Pressung auf der Gleitbahn hervorrufen. Ein zweiter, jedoch geschlitzter Ring, der unter oder im zuvor genannten Dichtungsring angeordnet und als normaler Kolbenring ausgelegt ist, sorgt für eine Abdichtung des gleitenden Dichtungsringes gegen die Zylinderbohrung.
[0021] Nachfolgend seien einige Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes genannt:
Das Planetenkolbentriebwerk kann als Kompressor wie auch als Motor und darüber hinaus auch in einer Kombinationseinheit gleichzeitig zusammen als Kompressormotor verwendet werden. Wie bei der Turbine und beim Verbrennungsmotor lassen sich mit der entsprechenden Kombination alle denkbaren Kreisprozesse durchführen.
[0022] Dabei weist das Planetenkolbentriebwerk gegenüber der Turbine infolge des angewendeten Verdrängerprinzips den Vorteil auf, daß Gasdurchsatz und Drehzahl in linearer Beziehung zueinander stehen, so daß eine Pumpgefahr, die bei Turboverdichtern unter verschiedenen Lastbedingungen auftreten kann, nicht gegeben ist. Darüber hinaus liegt der Drehzahlbereich sehr viel niedriger als bei den Turbinen, so daß die Verwendung von Zahnradgetrieben zur weiteren Drehzahlminderung ohne weiteres möglich ist. Des weiteren können infolge der längeren Abdichtungsspalte in einer Stufe auch höhere Druckgefälle ohne weiteres überstanden werden.
[0023] Ein ganz besonders wesentlicher Vorteil zeigt sich jedoch darin, daß infolge der natürlichen Kühlung durch den Wechsel von Heiß - und Kalttakt wie bei den klassischen Hubkolbenmotoren die Treibgase mit höheren Temperaturen gefahren werden können, wodurch der thermische Wirkungsgrad günstig beeinflußt wird. Darüber hinaus ist für die Kühlung von Vorteil, daß nur jeweils eine Fläche der Triebwerkteile von den heißen Treibgasen überstrichen wird, so daß die Gegenflächen für die Kühlung durch Luft, Öl-oder Wasser zugänglich sind. Außerdem können die heißen Treibgase wie bei der Turbine durch die Verwendung von kalter Sperriuft so lokalisiert werden, daß eine Überhitzung des Triebwerks verhindert wird.
[0024] Weiter besteht gegenüber dem klassischen Hubkolbemotor beim Planetenkolbentriebwerk der Vorteil des absoluten Massenausgleichs und des in Itelation zum Bauvolumen hohen Luftdurchsatzes.
[0025] Es ist auch angezeigt, das Planetenkolbentriebwerk als Vorverdichtungs- und Nachexpansionsstufe eines normalen Verbrennungsmotors einzusetzen.
[0026] Für Fahrzeugantriebe bietet sich in vorteilhafterweise die Verwendung einer Kombination von Vier- oder Zweitaktdiesel mit einem Planetenkolbentriebwerk und einem Turbolader an, wobei vorzugsweise nach folgendem Verfahren zu arbeiten ist:
Von dem mit etwa 2 bis 4-facher Drehzahl eines Dieselmotors umlaufenden Planetenkolbentriebwerk wird vorverdichtete Luft an den Dieselmotor geliefert. Das innere Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors wird dabei so stark herabgesetzt, daß für die Verbrennung im Dieselmotor etwa die doppelte Luftmenge zur Verfügung steht. Die infolge der Herabsetzung des Verdichtungsverhältnisses im Dieselmotor energiereicheren Abgase treiben einen Turbolader an, der seine Ladeluft vollständig an die Expansionsseite des Planetenkolbentriebwerks abgiebt. Infolge der gleichzeitigen Verwendung des Planetenkolbentriebwerks als Kompressions-und Expansionsstufe sind günstige Wirkungsgrade zu erzielen, so daß der mit dem Dieselmotor gekoppelte Planetenkolbenkompressor nicht zuerst zum Leistungsverbraucher, sondern vielmehr zum Leistungssp/ender wird.