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Drehkolbenmaschine mit drei Rotoren
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Die Erfindung betrifft eine Maschine mit drei Rotoren zum Umsetzen
von Energie in ein Drehmoment. Speziell befasst sich die Erfindung mit Vieltaktmaschinen,
welche ein Drehmoment bezüglich eines Gehäuses erzeugen. Im einzelnen befasst sich
die Erfindung mit Maschinen mit drei Rotoren,die bezüglich eines Gehäuses ein Drehmoment
erzeugen, sowie mit Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades solcher Maschinen.
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Vieltaktmaschinen, welche Energie in ein Drehmoment umwandeln, sind
bekannt. Zwei bekannte Maschinen dieses Typs sind die Kolbenmaschinen.und die Drehkolbenmaschinen,
wobei letztere auch als Wankelmotoren bezeichnet werden. Eine frühere Anmeldung
des Anmelders ( US-PS-3 985 110) beschreibt Vieltaktmaschinen und ist auf eine neuartige
Konstruktion einer Drehkolbenmaschine gerichtet, welche als Zwei-Rotor-Maschine
bezeichnet ist. Die Zwei-Rotor-Maschine weist ebenfalls drei Rotoren auf; das Drehmoment
wird jedoch als Ergebnis der Kräfte,die über zwei Seitenrotoren wirksam werden,
erzeugt, wobei der mittlere (dritte) Rotor verwendet wird, um für eine Rotation
zu sorgen, die gleich der durchsc;anittlichen Rotation der beiden Seitenrotoren
ist.
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Der Wankelmotor wra as S 3enznn.otor mit der bekannten Taktfolge von
Otto-Motoren betrieben. Die Kolbenmotoren werden mit der Taktfolge on Otto-Dtoren
betrieben, sowie mit der bekannten Taktfolge ven Dieselmotoren. In der zitierten
früheren Anmeldung ist dargelegt, da die Zwei-Rotor-Maschine sowohl mit der Taktfolge
enes Dieselmotors betrieben werden kann und auch gemäß andere welche als neu angesehen
werden und bei den- zwsätzliche Takte dazu dienen, einen Teil der Wärme, welche
normale weise im Kühlsystem und in den heißen Abgasen verloren gehen, in ein auswertbares
Drehmoment umzuwandeln.
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Der Kolbenmotor und der Wankelmotor sind in ihrer gegenwärtigen Form
hinsichtlich ihres thermischen Wirkungsgrades unbefriedigend. Es ist eine wohlbekannte
Tatsache, daß unter optimalen Bedingungen der Wirkungsgrad eines Benzin-Kolbenmotors
bei etwa 25% liegt, während der Wirkungsgrad eines Dieselmotors bei etwa 35% liegt.
Der Wankelmotor hat keine Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades gegenüber
den Kolbenmotoren gebracht. Im Schrifttum über Motoren wird dargelegt, daß von den
75% des Kraftstoffes, welche bei Brennkraftmaschinen verloren gehen, etwa 36% über
die Kühlanlage abgegeben werden, während 34% mit den heißen Abgasen verloren gehen
und 5% als Reibungsverluste in den Lagern und an anderen Gleitflächen verloren gehen.
Der Dieselmotor bestitzt einen höheren thermischen Wirkungsgrad, wobei jedoch wieder
nahezu 2/3 der Kraftstoffenergie im Kühlsystem und mit den Abgasen verloren gehen.
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Gemäß einer Studie der Rand Corporation aus dem Jahre 1972 verbrauchten
Personenwagen, Lastwagen und Busse in den Vereinigten Staaten etwa 18% der gesamten
im Lande verwendeten Energie, was einer Menge von 6,4 Millionen barrels von Rohöl
pro Tag entspricht. Es werden also etwa 12% der Gesamtenergie oder etwa 2 Millionen
barrels Rohöl pro Tag in den Kühl systemen und mit den heißen Abgasen der Brennkraftmaschinen
von Personenwagen, Lastwagen und Bussen vergeudet.
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Die Annahme eines Wirkungsgrades von 25% führt zu einem ziemlich optimistischen
Bild. Gemäß einem Artikel von John R.Pierce, "Der Kraftsoffverbrauch von Automobilen",
Scientific American, Januar 1975, Seiten 34 - 44 gilt nämlich folgendes: Mit den
heutigen, als Otto-Motoren ausgebildeten Kraftfahrzeugmotoren läßt sich typischerweise
ein thermischer Wirkungsgrad zwischen 22% und 26% erreichen. Bei den normalen Fahrbedingungen
entspricht jedoch die an die Räder abgegebene Antriebsenergie nur noch einem Wirkungsgrad
von 10%. Ein Grund diesen gegenüber den Optimalwerten scharfen Abfall d=-s tatsächlichen
Wirkungsgrades besteht darin, daß die Kraftfahrzeuge nur für kurze Strecken benutzt
werden, so daß eine beträchtliche Wärmemenge erforderlich ist, um das Kühlsystem
aufzuwärmen.
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Ein weiterer Grund besteht darin, daß die in den Automobilen normalerweise
verwendeten Motoren größer sind als dies für das Antreiben dieser Automobile bei
normalem Fahrbetrieb erforderlich wäre. Der Grund für die starke Motorisierung besteht
darin, daß man ein schnelles Beschleunigen beispielsweise für das Einfahren auf
Schnellstraßen und für das Vermeiden von Unfällen beim Anfahren ermöglichen möchte.
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Eine weitere Klage, die gegen die derzeitigen Brennkraftmaschinen
geführt wird, richtet sich gegen die Menge der Schadstoffe, welche mit den Abgasen
in die Atmosphäre gelangen. Diese Schadstoffe liegen hauptsächlich als CO und als
NOX vor. Der CO-Gehalt der Abgase ist eine Folge der unvollständigen Verbrennung
von Kohlenwasserstoffen zu CO2, während die Stickoxyde in den Brennkammern gebildet
werden, solange das Gasgemisch dort eine hohe Temperatur hat.
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In der genannten früheren Anmeldung ist auf Verfahren hingewiesen,gemäß
welchen durch Arbeiten mit zusätzlichen neuen Takten in komplexen thermodynamischen
Vieltaktzyklen zusätzliche Wärmeenergie in ein auswertbares Drehmoment umgewandelt
werden
kann, und z-ar: a) Warre aus nur teilweise verbrannten Kohlenwasserstoffen;
b) Wärme von den Innenwänden der Brennkammern und c) Wärme aus den heißen Gasen,
welche nach der Zündung der Gase jedoch vor dem Austre@ben derselben aus den Brennkammern
ausgenutzt wird. Obwohl nun das n cer enannten Anmeldung beschriebene Verfahren
geeignet st, eine eträchtliche Wärmemenge aus den heißen Verbrennungsgasen --- von
den Innenwänden der Brennkammern nutzbar zu mache@, esohieht bei diesem Verfahren
nichts, um die durch die Gehäusewände übertragene Wärme und die Restwärme in den
Verbrennungsgasen beim Austreiben derselben aus den Brennkammern nutzbar zu machen.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die heute eingesetzten
Brennkraftmaschinen mehr Kraftstoff verbrauchen, als normalerweise erforderlich
wäre, um das gewünschte Drehmoment zu liefern. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
in der Brennkammer eine ausreichend hohe Kraftstoffkonzentration aufrecht erhalten
werden muß, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines elektrischen Funkens
gezündet werden kann.
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Ausgehend vom vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der
Erfindung die Aufgabe zugrunde, den thermischen Wirkungsgrad von Brennkraftmaschinen
zu verbesern und insbesondere diejenige Wärme zu nutzen, welche bei dem Verfahren
gemäß der früheren Anmeldung nicht genutzt wurde.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Maschine mit drei Rotoren
gelöst, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
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Es ist ein wesentlicher Vorteil @ der erfindungsgemäßen Maschine,
daß bei gleicher Maszhlnengrö2.e eine zusätzliche Beschleunigung erzielt werden
kann, wenn dies erforderlich ist, indem man während solcher Arbeitstate,in denen
normalerweise keine Kraftstoffzufuhr erfolgt, zusätzlichen Kraft stoff zuführt.
Andererseits wird bei Leerlaufbetrieb, wie er sich bei dichtem Verkehr häufig ergibt,
dann, -*e-- die Temperatur der Maschine insgesamt zum Ansteigen. neigt, ein größerer
Teil der Energie, die für das Weiterlaufen der Maschine erforderlich ist, aus der
Wärme zurückgewonnen, die von den Wänden der Maschine und aus den heißen Abgasen
stammt, so daß unter diesen Betriebsbedingungen der Kraftstoffverbrauch sinkt und
gleichzeitig eine Überhitzung der Maschine vermieden wird.
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Die heutigen Benzinmotoren verbrauchen mehr Kraftstoff, als normalerweise
erforderlich wäre, um das geforderte Drehmoment zu erzeugen. Der Grund dafür ist,
daß in den Brennkammern eine ausreichend hohe Kraftstoffkonzentration aufrecht erhalten
werden muß, damit das Kraftstoff-Luft-Gemisch mittels eines elektrischen Funkens
gezündet werden kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht nun darin, daß
der Wirkungsgrad durch das Vorhandensein von Doppelkammern erhöht werden kann, derart,
daß die Zündung in einer ersten Kammer mit einer höheren Kraft stoffkonzentration
erfolgen kann, wobei sich die Flammenfront sowohl in der ersten, als auch in der
zweiten Kammer der Doppelkammer ausbreitet und folglich in beiden Kammern eine Expansion
stattfindet. Auf diese Weise kann die Maschine insgesamt mit einem mageren Gemisch
betrieben werden, um eine bessere Ausnutzung des Kraftstoffs zu erreichen. Durchschnittlich
magerere Gemische führen ferner zu niedrigeren Durchschnittstemperaturen und damit
zu einer Verringerung der Erzeugung von Stickoxyden, die einen der Hauptschadstoffe
in den Abgasen von Brennkraftmaschinen datstellen. Ein Vorteil besteht auch darin,
daß
erfindungsgemäß Sress1 ~ erwendet werden kann, und daß die
in der komprimierte enthaltene Energie gespeichert und in ein nutzbares Drehmement
umgesetzt werden kann.
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Kinetische Energie, welche derzeit beb Sremsen verloren geht, kann
durch ein spezielles dynamisches Bremsen in einen Druckluftvorrat umgewandelt werden.
Unter Verkehrsbedingungen, bei denen ein häufiges Anfahren und Bremsen erfolgt,
kann gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung eine -eträchtliche Menge von Energie
als potentielle Energie in ~~ @m eines Druckluftvorrats gespeichert werden und später
wieder in ein nutzbares Drehmoment umgewandelt werden.
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Die Maschine mit drei Rotoren ist eine Variante der Maschine mit zwei
Rotoren. Bei der Maschine mit zwei Rotoren sind zwei Sätze von Flügeln vorgesehen,
welche einen Umlaufraum in Kammern unterteilen, und welche alternierend mit den
Rotoren verbunden sind, die sich mit den zwei Seiten-Kegelrädern einer Differenzialgetriebeanordnung
drehen, wobei der dritte Rotor sich mit der Abtriebswelle und dem leerlaufenden
mittleren Kegelrad der Differenzialgetriebeanordnung dreht, und wobei der dritte
Rotor keine Flügel im Umlaufraum aufweist. Bei der Maschine mit drei Rotoren sind
die Flügel alternierend an dem mit der Mittelwelle verbundenen Rotor und einem der
anderen Rotoren bzw. einem der Seitenrotoren verbunden. Aufgrund der Drei-Rotor-Anordnung
ergeben sich wieder gewisse Vorteile, nämlich: 1. Die Anzahl der erforderlichen
Zündkerzen verringert sich bei einer Maschine mit drei Rotoren auf ein Achtel der
Anzahl der Zündkerzen, die bei einer Maschine mit zwei Rotoren erforderlich ist.
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2. Die Geschwindigkeit der Mittelwelle wird verdoppelt, so daß eine
Obersetzung zu höheren Drehzahlen, falls dies erforderlich ist, mit dem halben Übersetzungsverhältnis
erfolgen kann.
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3. Die mit der Mittelwelle verbundenen Flügel werden während der Arbeitstakte
nicht beschleunigt oder abgebremst, sendern drehen sich mit im wesentlichen konstanter
Geschwindigkeit um die Mittelachse. Der überwiegende Teil der Masse der Fl@ cl kann
somit Bestandteil der mit dem mittleren rotor verbundenen Flügel sein, so daß sich
eine Art Schwungrad ergibt, während gleichzeitig die Größe der Fligel,@ie mit den
anderen Rotoren verbunden sind, verringert wird und diese Rotoren bzw. die Seitenrotoren
aufgrund der verringerten Masse somit schneller beschleunigt und abgebremst werden
können.
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4. Bei der Maschine mit zwei Rotoren gleiten im Durchschnitt etwa
800 der Kanten der Flügel an Oberflächen des Gehäuses oder eines anderen Rotors.
Bei der Maschine mit drei Rotoren gleiten im Durchschnitt weniger als 650 der Kanten
der Flügel an anderen Bauteilen, wobei gleichzeitig Dichtungselemente geringerer
Länge verwendet werden können.
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5. Bei der Maschine mit drei Rotoren kreuzen die längs der Kanten
der Flügel verlaufenden Dichtungselemente keine Einlaß- und Auslaßöffnungen, so
daß in diese Öffnungen kein Schmieröl gedrückt werden kann und folglich auch keine
Überbrückungsblöcke erforderlich sind, wie sie bei der Maschine mit zwei Rotoren
benötigt werden, um das Verschmutzen von Öffnungen durch Schmieröl zu verhindern.
Eine weitere Möglichkeit der Verringerung der Gesamtlänge der in Gleitkontakt mit
anderen Bauelementen stehenden Dichtungselemente bis auf etwa 500 der Kantenlänge
der Flügel besteht darin, daß man den mittleren Rotor derart verlängert, daß er
die gesamte Außenwand des Umlaufraums oder zumindest den überwiegenden Teil desselben
bildet. Durch diese Maßna.e würden auch die Gleitbereiche veringert oder vermieden,
in denen im Vergleich zu der Maschine mit zwei Rotoren die doppelte Relativgeschwindigkeit
vorliegt.
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6. Jeder Seitenrotor hann zusammen mit dem mittleren Rotor eine unabhängige
Maschine bilden. Die Maschine mit drei Rotoren -etet szit eine größere Vol'nen-Leistung
als selbst die @aschine mit zwei Rotoren, für die in der früheren Anmeldung geze-
@ wurde, daß sie eine größere Volumen-Leistung als -=e konventionelle Maschine besitzt.
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7. Die beiden Maschinen gemäß (6) können s ausgebildet werden, daß
sie im Gleichtakt arbeiten, um einen speziellen komplizierten thermodynamischen
Arbeitszyklus durchzuführen, wobei für die gleiche Winkeländerung pro Taktintervall
jeweils die doppelte Anzahl von Kammern zur Verfügung steht.
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8. Wenn die Flügel, die mit dem mittleren Rotor verbunden sind, größer
sind, dann kann ihr Volumen bequem als Wärmeaustauscher verwendet werden.
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9. Die Maschine mit drei Rotoren stellt eine allgemeinere Ausgestaltung
der Maschine mit zwei Rotoren dar. Während bei -dem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, nur zwei Umlaufräume vorgesehen
sind, von denen jeder Flügel enthält, von denen die einen am mittleren Rotor und
die anderen je an einem Seitenrotor befestigt sind, kann ein dritter Umlaufraum
vorgesehen sein, der vorzugsweise zwischen den beiden anderen Umlaufräumen angeordnet
ist und der nach den gleichen grundsätzlichen Konstruktionsprinzipien gestaltet
werden kann. Bei der Maschine mit zwei Rotoren sind die Flügel dagegen an den beiden
Seitenrotoren vorgesehen. Die Maschine mit drei Rotoren kann somit in Verbindung
mit einer weiteren Drei-Rotoren-Maschine und/oder in Verbindung mit einer Zwei-Rotoren-Maschine
eingesetzt werden. Bei all diesen Kombinationen ist
lediglich eine
gemeinsame Mittelwelle erforderlich sowie eine gemeinsame Differentialgetriebeanordnung;
außerdem ist - r -e Seitenrotoren nur ein einziger y-emeirsamer S-=z ;tn .-sz: .
r die Begrenzung der Drehung cer Vorwärtsrichtung sowie -r die Begrenzung der Drehung
in Rückwärtsrichtung erforderlich.
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Es wird auch gezeigt, daß zusätzliche Umlaufräume bildet werden können,
die in Verbindung mit Flügeln oder als Pumpen betrieben werden können. Beispiele
für derartige zusätzliche Umlaufräume sind die Räume, die beim Ausführungsbeispiel
zwischen der Mittel- bzw. Abtriebswelle und den Seitenrotoren vorhanden sind und
die, wie dies die Fig. 1 der Zeichnung, Lager enthalten. Diese Räume können beispielsweise
auf die erforderlichen Abmessungen vergrößert werden, um Umlaufräume für zwei einfache
Zweitaktpumpen zu bilden, die beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erzeugung
von Pressluft dienen.
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Es versteht sich, daß diese Pumpen die gleiche Anzahl von Flügeln
aufweisen, wie die Drei-Rotor-Maschinen. Die zweite und dritte Maschine können unabhängig
voneinander verwendet werden, beispielsweise als eine Druckpumpe. Sie können auch
im Gleichtakt mit den beiden anderen Maschinen in einem komplizierten thermodynamischen
Zyklus arbeiten. Es sei darauf hingewiesen, daß die Anzahl der Takte pro Umdrehung
in allen drei Maschinen die gleiche ist.
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Auf der Basis der vorstehend erläuterten Vorteile und des offensichtlichen
Fehlens von Nachteilen kann die Drei-Rotor-Maschine alles leisten, was auch die
Zwei-Rotor-Maschine gemäß der früheren Anmeldung leisten kann, jedoch mit einem
höheren Wirkungsgrad. Die beiden Maschinen können auch miteinander kombiniert werden.
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Insgesamt ist die asonire gemäß vorliegender Ereindung der Maschine
gemäß der früheren Anmeldung ähnlich. Beide Maschinen besitzen drei Rotoren, nämlich
zwei Seitenrotoren,von denen jeder mit einem der Seitenkegelräder einer Differentialgetriebeanordnung
verbunden ist, und einer ersten Rotor, der sich gemeinsam mit dem mittleren Kegelrad
der Differentialgetriebeanordnung dreht. Außerdem ist ein @ @ --:= vorgesehen, der
durch Flügel,die alternierend mit z.e aer drei Rotoren verbunden sind, unterteilt
ist. Weiterhin ist eine Antriebsenergie vorhanden, mit deren Hilfe alternierend
der Satz von Flügeln eines ersten Rotors und dann der Satz von Flügeln eines zweiten
Rotors in Vorwärtsrichtung beaufschlagt wird, während der andere Seitenrotor in
Rückwärtsrichtung gezwungen wird. Darüberhinaus sind Einrichtungen zum Begrenzen
der Rückwärtsdrehung jedes der Seitenrotoren vorgesehen, so daß der Mittelrotor
sich in Vorwärtsrichtung um einen Winkel dreht, der gleich dem halben von demjenigen
Seitenrotor durchlaufenen Winkel ist, der in Vorwärtsrichtung angetrieben wurde.
Es sind auch Einrichtungen zum Begrenzen der Drehbewegung des einen Seitenrotors
in Vorwärtsrichtung vorgesehen, wenn dessen winkelmäßige Auslenkung einen vorgegebenen
Winkel übersteigt. Bei beiden Maschinen ist die Relativdrehung bzw. das Taktintervall
für einen Satz von Flügeln bezüglich des andern in dem Umlaufraum etwa 1800/n, wobei
die Anzahl der Flügel pro Rotor n@ist. Beide Maschinen können nach einem Dampf zyklus,
einen hydrostatischen Zyklus, einem Otto-Zyklus, einem Diesel-Zyklus oder einem
anderen komplexen thermodynamischen Zyklus laufen. Beide Maschinen haben pro Rotor
eine Anzahl 1, 2, 3, 4, 5, 6 und so weiter von Flügeln, wobei diese Anzahl für einen
bestimmten dynamischen Arbeitszyklus, eine Pumpe oder Meßeinrichtung geeignet ist.
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Beide Maschinen können in Verbindung mit Druckkammern zum Wärmeaustausch
eingesetzt werden, wie sie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben sind. Beide
Maschinen können ferner in Form einer Maschine 30 in Verbindung mit geeigneten Hilfseinrichtungen
verwendet werden, wie dies in den Fig. 18 - 20
der früheren Anmeldung
erläutert ist. Beide Maschinen können schließlich als Flässigkeitsmesser oder als
Pumpen eingesetzt erden.
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gi2 vorliegende Erfindung befasst sich ...- @bwandlungen, die zumindest
bezüglich der neun vorstehend aufgeführten Punkte zu Verbesserungen der Leistung
führen. Beispielsweise beträgt die Anzahl der Zündkerzen,die für die Drei-:=tcr-aschine
benötigt wird, nur n/2 im Vergleich zu 4n Zünd<er=en, die bei der Zwei-Rotor-Maschine
benötigt werden. Dies entspricht einem Verhältnis von 8:1. Weiterhin werden die
Einlaß- und Auslaßöffnungen nicht von den Dichtungselementen überlaufen, so daß
keine überbrückungsblöcke erforderlich sind, um zu verhindern, daß in diese Öffnungen
und so weiter Schmieröl gelangt. Wie bei der Zwei-Rotor-Maschine läuft das Taktmuster
A, B, C, D, usw. bei der Drei-Rotor-Maschine im Gegenuhrzeigersinn um, wenn die
Takte A, B, C,D den Kammern im Uhrzeigersinn zugeordnet sind, jedoch nicht gleichmäßig.
Es ist charakteristisch für die Drei-Rotor-Maschine daß ein Takt alternierend 1
und 3 Halbsektoren überspringt, ehe er einen ganzen Sektor in der Richtung des Musters
der Bewegung bezüglich des Gehäuses überläuft. Entsprechende Einrichtungen zum Öffnen
und Schließen der Einlaß- und Auslaßöffnung und zum Programmieren der komplexen
thermodynamischen Zyklen werden weiter unten in Verbindung mit einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel erläutert.
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Bei dem hinten beschriebenen bevorzugten-Ausführungsbeispiel sind
zwei Drei-Rotor-Maschinen vorgesehen, die gleichsinnig arbeiten, wobei ein einziger
Satz von Seitenrotoren mit zugeordneten Bewegungsbegrenzungseinrichtungen verwendet
wird.
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Die Anordnung der zwei Maschinen gestattet die Zündung in einer Brennkammer
einer ersten Maschine, wo die Xraftstoffkonzentration höher ist und eine anschließende
Ausdehnung in
zwei Kammern. Dies trägt zu einem höheren Wirkungsgrad
bei, da im Durchschnitt :naerere Gemische verarbeitet werden können.
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Ferner trägt die genannte Maßnahme zur Reduzierung der anfallenden
Schadst~- -en e in r- -rn or tzkoxyaen bei, da die Dauer des Zeitintervalls, in
dem hohe Temperaturen herrschen, verkürzt wird.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel .--e-= rfindung ist die
Drei-Rotor-Maschine ferner mit einer @ruckkammeranordnung kombiniert, die dem Wärmeaustausch
dient und in die kühle Luft eingeleitet wird, welche dann eine ausreichend lange
Zeit in den Druckkammern verbleibt, wo ihre Temperatur angehoben wird, da sie in
Kontakt mit den Wänden der Kammer gelangt, die durch die Verbrennungsvorgänge in
der Maschine und durch heiße Abgase aufgeheizt werden. Anschließend wird die unter
erhöhtem Druck stehende erwärmte Luft einer sich expandierenden Kammer der Maschine
zugeführt, wo die in der Luft gespeicherte Energie in ein nutzbares Drehmoment umgesetzt
wird. Die kühle Luft, welche vorzugsweise unter Druck eingeleitet wird, stammt aus
einem Drucklufttank, dessen Druck teilweise mit Hilfe eines dynamischen Bremssystems
aufgebaut werden kann. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ferner das Merkmal
verwirklicht, daß die nach einem ersten Verbrennungsschritt erhaltenen Abgase für
einen zweiten Verbrennungsschritt nochmals kompriniert werden, um eine Umsetzung
von CO in CO2 zu erreichen. Die Wärme, die während dieser Nachverbrennung gewonnen
wird, dient einer weiteren Erhöhung des Druckes, der dann in ein nutzbares Drehmoment
umgewandelt wird.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel widmet man v.ier volle Taktintervalle
der "Verarbeitung" von küchler Luft, und zwar im Anschluß an vier volle Taktintervalle,in
denen man mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch arbeitet, um so die Verbrennungswärme
direkt aus den Wänden der Brennkammern zurückzugewinnen.
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Die dabei erwärmte L';- wird dann weiterhin in Druckkammern zum Wärmeaustauschen
ausgenutzt, wobei eine weitere Ausnutzung der Täre erfolgt, die durch die Wände
der Brennkammern hindurchgeleltet wird. Außerde.ri. werden die Abgase des ersten
Verbrennungsschrittes einem zweiten Verbremaung3sch~itt unterworfen, um nicht verbrannte
Kohlenwasserstoffe bzw. Rohlenwasserstoffreste vollständig zu verbrennen. 3e bevorzugten
Ausführungsbeispiel folgt dem zweiten Verbrennungsschritt das Ausstoßen der Gase,
die jedoch gezwungen werden an den Außenwänden der Druckkammern vorbeizufließen,
so daß ein Teil der in den Abgasen enthaltenen Restwärme auf die Druckkammern übertragen
wird. Die kühle Luft, die in das System vorzugsweise unter Druck eingeleitet wird,
muß in ausreichender Menge vorhanden sein, um die Kühlung der Maschine zu gewährleisten,
die gegenwärtig noch mit Hilfe eines besonderen Kühl systems unter Verwendung von
Luft oder Wasser erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Maschine bzw. dem ihr zugrundeliegenden
Arbeitsverfahren lassen sich verschiedene sehr wünschenswerte Ergebnisse erreichen,
nämlich: (1) Eine Umsetzung der Wärme die normalerweise im Kühlsystem verloren geht,
der Wärme in den heißen Abgasen und der Wärme, die durch das Bremssystem erzeugt
wird, in ein nutzbringendes Drehmoment. (2) Eine Verringerung des Gewichts, der
Kosten und der Kompliziertheit des Kühlsystems und der zugehörigen Bauteile. (3)
Eine geringere, als die normale Maschinenleistung, welche nur für den normalen Fahrbetrieb
angemessen ist, wobei jedoch Einrichtungen vorgesehen sind, um während der Zeiten,in
denen eine zusätzliche Beschleunigung erforderlich ist, für kurze Zeitintervalle
während der vollständigen Zyklen, in denen normalerweise nur Luft verarbeitet wird,
mit einem Kraftstoff-Luft-Gemisch zu arbeiten, wie bei den normalen Arbeitszyklen.
Die Temperatur der Maschine steigt dann zwar während dieser kurzen Zeitintervalle
an; die Maschine gewinnt jedoch ihr Temperaturgleichgewicht schnell zurück, sobald
der normale Fahrbetrieb wieder aufgenommen wird.
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Erfindungsgemäß werner. m iesen-lichen alle Vorteile erreicht, die
auch mit er Maschine gemäß der früheren Anmg dung errecht werden.
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in weiterer wesentlicher Vorteil der Maschine -ä3 cer Erfindung besteht
darin, daß diese mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet. Insbesondere wird ein hoher
Wirkungs grad pro Volumen- und Gewichtseinheit erreicht, s@ das Maschinen mit hoher
Leistung gebaut werden können, die nur einen relativ geringen Raum-bedarf und ein
geringes Gewicht haben. Weiterhin erreicht man einen hohen thermischen Wirkungsgrad,
so daß mit der gleichen Kraftstoffmenge ein größeres nutzbares Drehmoment erzeugt
werden kann. Darüberhinaus erreicht man bezüglich der Größe einen großen Wirkungsgrad,
da eine relativ kleine Maschine für eine erhöhte Beschleunigung sorgen kann, wenn
diese für kurze Zeitintervalle erforderlich ist. Weiterhin läßt sich beim Bremsen
ein hoher Wirkungsgrad erreichen, da die kinetische Energie,die beim Bremsen abgebaut
werden muß, gespeichert wird, anstatt vernichtet zu werden.
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Es ist auch ein Vorteil der erfindungsgemäßen Maschine, daß sie kein
Kühlsystem benötigt und die Wärme, die derzeit in dem Kühlsystem vernichtet wird,
in ein nutzbares Drehmoment umsetzen kann. Man erhält also eine Maschine, die einen
besseren thermischen Wirkungsgrad hat, leichter ist, weniger kompliziert ist und
billiger ist als die bisherigen Maschinen.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß Verfahren und
Einrichtungen angegeben werden, mit deren Hilfe Wärme, welche durch die Wände der
Brennkammern abgeleitet wird, und Wärme, die in den heißen Abgasen der Maschinen
enthalten ist, in ein nutzbares Drehmoment umgewandelt werden kann.
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Es ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß Verfahren
und rinriçhtungen angegeben werden,mit deren Hilfe den heißen Abgasen Wä=e entzogen
wird, während sie aus den Brennkammern zu der Atmosphäre f' eßen, wobei diese Wärme
in ein auswertbares Drehmoment umgesetzt wira. Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin da3 sie Verfahren und Einrichtungen angibt, um ein Kratsto==-Luft-Gemisch
zu zünden, und zwar in einer Brennkammer einer Brennkraftmaschine, woraufhin man
dann die heißen Gase in mehr als eine Kammer expandieren läßt. Die Kammer, in der
die Zündung erfolgt, enthält dabei eine ausreichend hohe Konzentration an Kohlenwasserstoffen,
um die Zündfähigkeit des Gemisches zu gewährleisten. Unmittelbar nach Einleitung
des Zündvorgangs steht jedoch das Volumen einer zusätzlichen Kammer bzw. das Volumen
zweier Kammern für die Expansion zur Verfügung. Die Betriebsweise wird also in zweierlei
Hinsicht verbessert, nämlich: 1. Die Maschine kann im Durchschnitt mit einem magereren
Gemisch von Kohlenwasserstoffen pro Volumeneinheit der Expansionskammer betrieben
werden, was einen verbesserten Wirkungsgrad des Kraftstoffs zur Folge hat und 2.
Die hohen Temperaturen, die sich normalerweise bei der Zündung von Kohlenwasserstoffgemischen
ergeben, werden verringert, so daß das Zeitintervall, in dem die hohe Temperatur,
die für die Entstehung von Stickoxyden erforderlich ist, verkürzt wird.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie Verfahren
und Einrichtungen angibt, mit deren Hilfe bei Bedarf das Ausgangsdrehmoment einer
Brennkraftmaschine gegenüber dem Drehmoment bei Normalbetrieb beträchtlich erhöht
werden kann.
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Auf diese Weise ist es möglich, für die Erzeugung des normalerweise
erforderlichen Drehmoments Maschinen zu verwenden, die
kleiner
sind als die üblichen Kraftfahrzeugmotoren, die jedoch in der Lage sind, bei Bedarf
für ein relativ kurzes Zeitintervall ein sehr erhöhtes Drehmoment abzugeben, beispielsweise1
wenn er. Einfahren a:- eine Dchnellstraße eine erhebliche Beschleunigung benötigt
wird oder wenn beim Anfahren stark beschleunigt werden =3, sa=-..enstöße zu vermeiden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachstehend
anhand einer Zeichnung noch näher erläutert und/oder sind Gegenstand der Schutzansprüche.
Es zeigen: Fig. 1 einen axialen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform
einer Maschine gemäß der Erfindung; Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung
der drei Rotoren, des Gehäuses und der Abtriebswelle der Maschine gemäß Fig. 1;
Fig. 3 einen horizontalen Querschnitt längs der Linie 3 - 3 in Fig. 1; Fig. 4 einen
horizontalen Querschnitt längs der Linie 4 - 4 in Fig. 1; Fig. 5 einen horizontalen
Querschnitt längs der Linie 5 - 5 in Fig. 1; Fig. 6 einen horizontalen Querschnitt
längs der Linie 6 - 6 in Fig. 1; Fig. 7 einen horizontalen Querschnitt längs der
Linie 7 - 7 in Fig. 1; Fig. 8 einen horizontalen Querschnitt längs der Linie 8 -
8 in Fig. 1; Fig. 9 eine Tabelle zur Erläuterung eines Arbeitszyklus der Maschine
gemäß Fig. 1 - 8 und Fig. 10 ein schematisches Blockdiagramm zur Eriäuterung einer
Maschinenanlage mit einer erfindungsgemäßen Maschine
und einem
dynamischen Bremssyste, sowie einem Drucklufttan.
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whe nachstehend auf die einzelnen Figuren der Zeichnung näher eingegangen
wird, sei vorausgeschickt, daß nachstehend'anhand der teilweise etwas schematischen
Zeichnungen @ lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert wird
und daß dem Fachmann ausgehend von diesem Ausführungsbeispiel zahlreiche Möglichkeiten
zu Gebote stehen, Abänderungen und/oder Ergänzungen vorzunehmen, ohne daß er dabei
den Grundgedanken der Erfindung verlassen müsste.
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Nachstehend soll nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der
Zeichnungen ins einzelne gehend erläutert werden:
Die erfindungsgemäße
Maschine basiert auf Prinzipien, welche am besten in Verbindung mit den Fig. 1 -
9 verständlich sind.
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Im einzelnen zeigt Fig. 1 eire Maschine 30, bei der entsprechend den
PrinzipIen der ~Erfindung bevorzugte Merkmale verwirklicht sind, die nachstehend
erläutert werden sollen.
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Gehäuse und Abtriebswelle Die Maschine 30 besitzt ein Hauptgehäuse
29, weiches bezüglich einer senkrechten Achse 100 - 100 eine zylindrische Form hat
und einen Zylindermantel 29a besitzt, der zwischen Stirnplatten 29e und 29f liegt.
In dem Hauptgehäuse 29 ist mittels Lagern 46a und 46b eine zentrale Abtriebswelle
40 drehbar gelagert.
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Rotoren und Differentialgetriebeanordnung Auf der Abtriebswelle 40
sind zwei Seitenrotoren 31 und 32 mittels jeweils zwei Lagern 43, 43a bzw. 44, 44a
gelagert.
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Ein dritter Rotor 41 ist sicher an der Abtriebswelle 40 befestigt,
vorzugsweise mittels einer Keilnut-Keil-Verbindung.
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Die Abtriebswelle wird daher nachstehend als Teil des dritten Rotors
41 behandelt. Die drei Rotoren 31, 32 und 41 drehen sich zusammen mit drei Kegelrädern
46a, 46b und 46c um die Achse 100 - 100, wobei die Kegelräder eine Differentialgetriebeanordnung
46 mit einem oberen Zahnrad 46a einem unteren Zahnrad 46b und einem mittleren Zahnrad
46c bilden.
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Die Differentialgetriebeanordnung 46 veranlasst die Drehung der Abtriebswelle
,40 und des Rotors 41 bezüglich des Hauptgehäuses 29, wobei die Drehzahl dieser
Teile gleich der durchschnittlichen Drehzahl der Rotren 31 und 32 bezüglich des
Hauptgehäuses 29 ist.
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Umlaufraum vom Typ 1 Wie bei der Maschine mit zwei Rotoren ist erfindzngsgemäß
ein Umlaufraum 35 vorgesehen, dessen Form zum Typ 1 gehört. Dieser Typ von Hohlraum
und die Verfahren zur Erzeugung eines solchen Hohlraums sind in der früheren Anmeldung
in dem Abschnitt
cavity of revolution of genus 1 beschrieben, wo
die Grunde für die Wahl eines Rechtecks als erzeugende geschlossene Kurve um die
Azhse 100 - 130 zzm Bilden des Umlaufrauns ebenfalls erklärt sind. Cemä3 vorliegender
Erfindung wird ein solcher Umlaufraum durch Oberflächen gebildet, die zumindest
zu dem dritten Rotor 41 und einem der SeitenrotGren 31, oder 32 gehören. Die innere
Seitenfläche 29a es Fauptgehäuses 29 kann einen Teil des Umlaufraumes 35 bilden,
wie dies bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 gezeigt ist.
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Aus Fig. 1 wird ohne weiteres deutlich, daß eine zylindrische Wandung
des Rotors 41, welche parallel zu dem Zylindermantel 29a des Hauptgehäuses 29 verläuft,
anstelle des Hauptgehäuses vorgesehen werden kann. Tatsächlich kann der Zylindermantel
29a an dem Rotor 41 befestigt sein oder an dem Seitenrotor 31 und sich mit diesen
drehen und braucht kein stationärer Teil des Hauptgehäuses 29 sein. Der Vorteil,
daß der Zylindermantel 29a stationär ausgebildet ist, besteht darin, daß Zündkerzen,
welche in Verbindung mit der Maschine benutzt werden, leichter gewartet werden können.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Umlaufraum angrenzend an die Abtriebswelle
40 vorzusehen, indem man den Hohlraum, welcher die Lager 43 und 43a in Fig. 1 enthält,
erweitert, wobei die Oberfläche der Abtriebswelle 40 selbst zu einem Teil der Wandung
des Umlaufraumes wird.
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Kammern und Flügel Die Flügel der Maschine mit drei Rotoren haben
die gleiche Funktion wie bei der Maschine mit zwei Rotoren. Die Flügel, welche um
die Achse 100 - 100 drehbar sind, trennen den Umlaufraum in 2 n-Kammern, wobei n
die Zahl der mit jedem Rotor verbundenen Flügel ist. Jede Kammer ist dabei durch
Wandbereiche des Umlaufraumes, sowie durch jeweils einen Flügel jedes der beiden
Rotoren begrenzt. Wenn man die beiden Rotoren zu einer relativen Drehbewegung gegeneinander
veranlasst, dann wird die Hälfte der Kammern vergrößert, während die andere Hälfte
der
Kammern ihr Volumen verkleinert. Dem Kompressionsverhältnis
bei den bekannten Kolbermaschinen entspricht bei der erfindungsge-»3en Maschine
das Verhältnis zwischen dem größten Volumen unddemkleinsten Volumen welches jede
Sammler aufweisen kann.
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Die Anzahl der Flügel pro Rotor der Maschine ist von der Anzahl der
Takte abhängig, die in dem jeweilicen Zyklus bei einer bestimmten Taktfolge durchzuführen
sind. ienn mehr als eine Maschine auf die gleicheAbtriebswelle und die gleiche Getriebeanordnung
arbeitet, dann muß bei den Maschinen, bei denen ein mittlerer oder ein dritter Rotor
einen Satz von Flügeln trägt, die doppelte Anzahl von Flügeln im Vergleich zu solchen
Maschinen vorgesehen sein, bei denen die Flügel von den zwei Seitenrotoren getragen
werden. Eine perspektivische Explosionsdarstellung der Rotoren und der daran befestigten
Flügel ist für das betrachtete bevorzugte Ausführungsbeispiel in Fig. 2 gezeigt.
Der mittlere oder dritte Rotor 41 trägt die Flügel für zwei Maschinen, nämlich eine
obere Maschine 320 und eine untere Maschine 321, die durch eine gemeinsame kreisscheibenförmige
Platte 41a voneinander getrennt sind.
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Betrachtet man in Fig. 2 die obere Maschine 320, so erkennt man, daß
jeder Rotor zwei Flügel trägt. An dem mittleren Rotor 41 sind zwei Flügel 34a und
34b befestigt, zwischen denen sich die Flügel 33a und 33b befinden, die mit dem
Seitenrotor 31 verbunden sind. Es sei darauf hingewiesen,daß es bei der Maschine
mit drei Rotoren nicht erforderlich ist, daß die beiden Sätze von Flügeln die gleiche
träge Masse haben. Aus diesem Grunde ist der größte Teil der trägen Masse bei dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel in den Flügeln 34a, 34b am mittleren Rotor 41 konzentriert,
wo die träge Masse der Flügel als Schwungmasse dienen kann, während die Größe der
Flügel 33a und 33b so klein wie möglich gehalten ist, um eine schnelle Beschleunigung
bzw. Abbremsung zu ermöglichen.
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Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Innenwand
des Cmlau-ralmes 35 auf der Seite der Achse 100 - 100 durch den zylindrischen Teil
des motors 31 gebildet, während die Oberseite des Umlaurraums 35 durch die Platte
31a des Rotors 31 gebildet ist und während die Unterseite durch den mittleren Rotor
41 gebildet ist. Auf der Auenseite des Umlaufraums 35 ist die Innenwand durch das
Geh=-"se 29 gebildet, wodurch eine Vereinfachung der Wartung der einer Zündkerze
erreicht wird, welche benötigt wird.
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Aus Fig. 2 wird deutlich, daß jeder Flügel ein Paar von Dichtungselementen
aufweist, die längs seiner gesamten freien Seitenflächen verlaufen, welche in Gleitkontakt
mit anderen Oberflächen stehen. Weiter unten wird noch gezeigt werden, daß ein Schmiersystem
geschaffen werden kann, bei welchem Schmieröl durch den Kanal fließt, der durch
das Paar von Dichtungselementen, die Oberflächen des Flügels und die Oberflächen,
an denen der Flügel gleitet, begrenzt ist. Im einzelnen besitzt der Flügel 34a in
Fig. 2 Dichtungselemente 39f, 39e, 39g und 39m, sowie zwei weitere Dichtungselemente,
die nicht sichtbar sind. Der Zweck und die Ausgestaltung der Dichtungselemente sind
ins einzelne gehend in der früheren Anmeldung erläutert, so daß an dieser Stelle
hierzu keine zusätzlichen Informationen erforderlich sind.
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In Fig. 5 ist die relative Winkellage der Flügel der oberen Maschine
gezeigt. Wo eine Gleitbewegung zwischen einem Flügel und einer Oberfläche des Umlaufraumes35
auftritt, sind Dichtungselemente angedeutet. Insbesondere sind die Dichtungen zwischen
dem Flügel 34b und dem Rotor 31 gezeigt, die durch die Dichtungselemente 39a und
39b gebildet werden. Die Flügel 33a, 33b, 34a und 34b teilen den Umlaufraum 35 in
vier Kammern,von welchen jeder während eines ersten Taktintervalls ein bestimmter
Arbeitstakt zugeordnet ist. Den Kammern in Fig. 5 sollen beispielsweise die Arbeitstakte
A, b, C, d eines bestimmten Zyklus
zugeordnet sein, und zwar wie
gezeigt, im Uhrzeigersinn.
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Das Taktmuster belegt sich,wie dies bei der Maschine mit zv Rotoren
der Fall ar, in entgegengesetzter Richtung, das heißt im vorliegenden Fall im Gegenuhr=eigersinn.
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In der früheren Anmeldung wurde die Drehung im hrzeigersinn als Vorwärtsdrehung
bzw. als Drehung in Vorwärtsrichtung angesehen. Im vorliegenden Fall wird die Drehung
im Gegenuhrzeigersinn als Vorwärtsrichtung bezeichnet und ist in der Zeichnung durch
den Pfeil 330 angedeutet. Die Drehung in Vorwärtsrichtung ist der einzige Drehsinn,
in welchem sich einer der Rotoren drehen darf. In Rückwärtsrichtung dürfen sich
die Seitenrotoren nur über einen begrenzten Winkel drehen, ehe sie durch Anschläge
für die Drehung in Rückwärtsrichtung gestoppt werden.
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Die Drehbewegung der Flügel ist bei der Maschine mit drei Rotoren
anders als bei der Maschine mit zwei Rotoren. Erfindungsgemäß drehen sich beide
Sätze von Flügeln in einem Umlaufraum, wobei jedoch der Satz von Flügeln, beispielsweise
die Flügel 33a und 33b, die zu einem Seitenrotor, beispielsweise dem Seitenrotor
31, gehören, doppelt so schnell dreht wie der Satz von Flügeln, der zu dem mittleren
Rotor 41 gehört. Der Drehwinkel des mittleren Rotors 41 beträgt pro Taktintervall
18O0/n. Dagegen beträgt der Drehwinkel eines Seitenrotors 36O0/n, wobei n die Anzahl
der Flügel pro Rotor ist. Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß bei einer
Maschine mit zwei Rotoren eine Kammer durch eine einzige radiale Ebene gekennzeichnet
werden kann, während bei einer Maschine mit drei Rotoren eine Kammer als ganzer
Sektor mit einem Winkel von 1800/n gekennzeichnet werden muß.
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Es soll nun speziell die vig. 5 betrachtet und angenommen werden,
daß sich bei Beginn des ersten Taktintervalls der Rotor 31 mit den Flügeln 33a und
33b in der durch den Pfeil330 angedeuteten Vorwärtsrichtung um einen Winkel von
1800 bezüglich des Gehäuses dreht. Der Rotor 41 m rtit den Flügeln 34a und 34b dreht
sich gleichfalls zur seiben Drehsinn (Pfeil 330), jedoch mit der halben Winkelesczdigkeit
des Rotors 31. Effektiv ändert sich das Volumen fedar rammer um 180/n, das heißt
um den gleichen Betrag wie be-' der Maschine mit zwei Rotoren. Was etwas schwer
zu verstehen ist, ist die Tatsache, daß bei der Maschine mit drei Rotoren die Explosion.
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des Gemisches in der Kammer, die in der Ebene 0 -5 beginnt, .den Rotor
34b und damit den mittleren Rotor 41 in Rückwärtsrichtung zwingt, während dieser
dazu veranlasst wird, sich in Vorwärtsrichtung zu bewegen. Der Grund, weshalb dies
möglich ist, besteht darin, daß der Rotor 33 in Vorwärtsrichtung gezwungen wird.
Da zwischen dem Rotor 31 und dem Rotor 41 ein Übersetzungsverhältnis von 2:1 besteht,
und zwar aufgrund der Verwendung der Differentialgetriebeanordnung, wird der Rotor
41 mit doppelt so großer Kraft in Vorwärtsrichtung geschoben und damit mit der vollen
Kraft des Druckes in der Verbrennungskammer in Vorwärtsrichtung. Während dieser
Zeit wird der zweite Seitenrotor 32 mit gleicher Kraft in Rückwärtsrichtung gedrückt,
wobei seine Rückwärtsdrehung durch die Klaue 86c begrenzt wird, welche mit der Klinke
96c (Fig. 2) zusammenwirkt.
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Während des zweiten Taktintervalls wird die Kammer, welche nunmehr
durch die Ebene 3 bezeichnet ist und in welcher derzeit der Takt b zur Kompression
abläuft, den Arbeitstakt c ausführen.
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Der Rotor 31 wird in Rückwärtsrichtung gedrückt und wird durch eine
Klaue 86a gestoppt, die gegen eine Klinke 96a läuft. Dabei erhält der Rotor 41 die
volle Kraft in Vorwärtsrichtung.
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Der Rotor 32 dreht sich über einen Winkel von 1800 frei in Vorwärtsrichtung.
Lr seren amit,da3 alternierend einer der Rotoren 31 bzw. 32 in Vorwärtsrichtung
gedrückt wIrd, während der andere in Rückwärtsrichtung gedrückt wird. Letzterer
wird abgebremst und seine Drehung wird durch de Anschläge dar die Drehung in Rückwärtsrichtung
verhindert, wodurch die Abtriebswelle zu einer Drehung mit im wesentlichen konstanter
Geschwindigkeit in Vorwärtsrichtung veranlasst --rt Das resultierende Ausgangs-Drehmoment
ist daher bei der :orliegenden Anmeldung halb so groß wie bei der Maschine mit zwei
Rotoren, besitzt jedoch die doppelte Geschwindigkeit. Aus diesem Grunde ist die
Ausgangsleistung P = TxW, das heißt das Produkt aus Drehmoment und Winkelgeschwindigkeit,
bei beiden Typen von Maschinen gleich.
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Anschläge für die Begrenzung der Drehbewegung Während bei der vorliegenden
Ausgestaltung lediglich einer der Seitenrotoren Flügel im Umlaufraum aufweist, wird
während des Taktintervalls jeder Seitenrotor an einem Anschlag abgebremst.
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Der mittlere Rotor behält eine annähernd gleichmäßige Geschwindigkeit
bei und dreht sich mit der Durchschnittsgeschwindigkeit der zwei Seitenrotoren,
von denen der eine ausgehend von der Geschwindigkeit Null beschleunigt wird und
den Zahnrädern des Differentialgetriebes eine Winkelgeschwindigkeit von W1 = 0 +
at erteilt, während der andere Seitenrotor von einer max.
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Winkelgeschwindigkeit W0 auf eine Geschwindigkeit W2 = W0 - at abgebremst
wird, wobei a die Winkelbeschleunigung ist und wobei t die Dauer eines Taktintervalls
ist. Die Winkelgeschwindigkeit des mittleren Rotors wird somit: W = (W1 + W2)/2
= (0 + at + W0 - at)/2 = W0/2.
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Die Winkelgeschwindigkeit ist also nicht vor. der Zeit t abhängig
und damit eine Konstante. Bei der vorstehenden Betrachtung wurde davon ausgegangen,
daß die Abbremsung und die Beschleunigung der
beiden Seitenrotoren
mit der gleichen Geschwindigkeit erfolgen.
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Diese Bedingung ist erfüllt, wenn die Trägheitsmomente der beiden
Seitenrotoren gleich sind. Dieser Sachverhalt zwingt dazu, daß bei einer Maschine
mit drei Rotoren,die als Dinzelmaschine eingesetzt wird und bei der nur einer der
Seitenrotoren Flügel trägt, während der andere leerläuft, letzçerss für die Drehbewegung
eine zusätzliche Trägheit verliehen werden kann, um die Trägheitsmomente, welche
von den Flügeln des an erster Stelle genannten Rotors herrühren, auszugleichen und
so die Winkelgeschwindigkeit des mittleren Rotors im wesentlichen konstant zu halten.
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Es sei darauf hingewiesen, daß jedem Seitenrotor unabhängig davon,
ob er Flügel in einer Umlaufkammer aufweist oder nicht, Anschläge für die Begrenzung
seiner Drehbewegung zugeordnet sein müssen. Wie im Falle der früheren Anmeldung
sind zwei Sorten von Anschlägen vorhanden, nämlich Anschläge für die Drehung in
Rückwärtsrichtung und Anschläge für die Drehung in Vorwärtsrichtung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Anschläge für die
Drehung in Rückwärtsrichtung Anordnungen mit Klauen und Klinken. Wie die Fig. 1,2,
4 und 7 zeigen, sind am Hauptgehäuse 29 der Maschine zwei in Umfangsrichtung verlaufende
Ringe 55 und 56 vorgesehen. Die Ringe 55 und 56 besitzen Klauen in Form von Blattfedern,
die in tangentialer Richtung von den Ringen in Richtung auf Klinken vorstehen, die
am Rande einer runden Platte vorgesehen sind, die von jedem der Seitenrotoren bis
zu den genannten Ringen reicht. Im einzelnen zeigen die Fig. 1, 2 und 4 eine runde
Platte 31a, welche von dem Rotor 31 bis zu dem Ring 55 reicht. Die Platte 31a besitzt
Einkerbungen oder Stufen, welche als Klinken 96a bzw. 96b dienen. Der Ring 55 ist
mit Klauen 86a und 86b versehen, welche eine Vorwärtsdrehung
des
Rotors 31 erlauben,eine Rückwärtsdrehung desselben hinter die Klinken Jedoch verhindern,
da diese Klinken von den N auen erfasst werden. Wie die Zeichnung zeigt, sind zumindest
zwei Klauen-Klinken-Paare symmetrisch zu der Achse 100 - 100 angeordnet, so daß
sich beim Abbremsen ein Kräftepaar ergibt, welches zu rein azimutalen Kräften führt
und nicht zu radialen Kräften beiträgt, welche die Reibung erhöhen könnten. In ähnlicher
Weise besitzt der Rotor 32 eine Klinke 96c an einer Platte 32a, die sich im Inneren
eines Ringes 56 dreht, welch letzterer sicher an dem Gehäuse 29 befestigt ist, und
Klauen, wie z.B. die Klaue 96c in Fig. 2, aufweist. Derartige Anordnungen von Klauen
und Klinken verhindern, daß sich der Rotor 32 weiter in Rückwärtsrichtung dreht
als bis zu einem Punkt, an dem die Klauen in Eingriff mit den Klinken gelangen.
Vorzugsweise ist wiederum mindestens ein symmetrisches Paar von Klauen an dem Ring
56 vorgesehen. Die Klauen werden als Blattfedern ausgebildet, so daß sie sich unter
der Wirkung von Kräften biegen können und eine gewisse Federwirkung besitzen, so
daß ein plötzliches Stillsetzen des Rotors verhindert wird und damit die Übertragung
von scharfen Kraftimpulsen auf den mittleren Rotor.
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Wie bei der Maschine mit zwei Rotoren gemäß der früheren Anmeldung
müssen auch erfindungsgemäß Anschläge für die Begrenzung der Drehung in Vorwärtsrichtung
vorgesehen sein, da solche Anschläge beim Starten der Maschine, bei Fehlzündungen
und bei Verwendung derselben als Pumpe benötigt werden. Während dieser Betriebsphasen
wird den Seitenrotoren der Maschine vom mittleren Rotor ein Drehmoment in Vorwärtsrichtung
erteilt, durch welches beide Seitenrotoren gleichmäßig in Vorwärts richtung gezwungen
werden. Die Anschläge für die Drehung in Vorwärtsrichtung stoppen nunmehr alternierend
die beiden Seitenrotoren jeweils, wenn der betreffende Rotor den maximal zulässigen
Drehwinkel
in Vorwärtsrichtung durchlaufen hat. Dieser Rotor wird dann für die Dauer eines
vollen Taktintervalls stillgesetzt, so daß während jedes Taxtinter-.alls nur ein
Seitenrotor in Vorwärtsrichtung drehen kann. Jede der Seitenrotoren müssen Anschläge
sowohl für die Drehung in Vorwärtsrichtung, als auch für die Drehung in Rückwärtsrichtung
zugeordnet sein, und zwar unabhängig davon, ob bei der Maschine die folgenden Bedingungen
erfüllt sind: 1. Es ist ein einziger Umlaufraum vorgesehen und nur einer der Seitenrotoren
besitzt Flügel, die in den Umlaufraum hineinragen; 2. Es sind zwei Umlaufräume vorgesehen,
wobei jeder der Seitenrotoren Flügel aufweist; (oder) 3. Es sind mehr als zwei Umlaufräume
vorgesehen, wobei in diesem Fall ein Seitenrotor Flügel aufweisen kann, die in mehr
als einen Umlaufraum hineinragen.
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Bei dem betrachteten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Anschläge
für die Drehung in Vorwärtsrichtung in Fig. 1, 2 , 4 und 7 gezeigt. Man erkennt,
daß ein in radialer Richtung einstellbarer Gleitbolzen 51a vorgesehen ist, der von
einem Ansatz 31b des Rotors 31 gehaltert wird, wobei der Ansatz 31b eine Platte
40a umgibt, die eine im wesentlichen elliptische Form aufweist und über eine Keilnut-
Keil-Verbindung 40c sicher mit der Abtriebswelle 40 verbunden ist, wie dies am besten
aus Fig. 4 deutlich wird. Wie die Fig. 1, 2 und 4 zeigen, ermöglicht eine Stufe
97a am Gleitbolzen 51a eine Federvorspannung desselben mittels einer Feder 99a.
Eine Buchse 53a, welche die Öffnung für den Gleitbolzen schließt, ist starr an dem
Ansatz 31b befestigt, um die Feder 99a an der Stufe 97a festzuhalten.
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Durch die Kraft der Feder 99a wird der Gleitbolzen 51a ständig in
Richtung au den ?nd der elliptischen Platte 40a vorgespannt. Vorzugsweise besitzt
der Gleitbolzen 51a an seinem freien Ende eine Rolle 58a, mit deren Hilfe die Reibung
zwischen dem Gleitbolzen und dem Rand der elliptischen Platte 40a verringert wird.
Wenn die kurze Achse der ellptischen Platte 40a in Richtung der Achse des Gleitbolzens
51a liegt, dann ist dessen in radialer Richtung äußeres Ende zurückgezogen und gelangt
nicht in Eingriff mit einem Zapfen 132 der über die Innenseite des Rings 55 vorsteht.
Der Rotor 31 kann sich aann um 1800 vorwärtsdrehen, während die Platte 40a sich
um 900 dreht, so daß nunmehr die lange Achse der Ellipse in Richtung der Achse des
Gleitbolzens liegt und eine weitereundrehung des Rotors 31 durch einen Zapfen 133
gestoppt wird, auf welches das radial äußere Ende des Gleitbolzens auftrifft. Während
des folgendes Taktintervalls bleibt dann der Rotor 31 stationär, während sich die
Platte 40a um 900 dreht, so daß der Rotor 31 bei jedem ungeraden Taktintervall freigegeben
wird und sich nunmehr um 1800 drehen kann. Zum Verhindern von radialen Kräften wird
in Verbindung mit einem Paar von vorstehenden Zapfen 132 und 130 ein Paar von Gleitbolzen
51a und 51b verwendet. Die Vorsprünge, wie z.B. der Zapfen 132, können unter Vorspannung
in einem Schlitz 124 des Ringes 55 angeordnet sein, wie dies Fig. 2 zeigt.
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Eine ähnliche, wie die vorstehend beschriebene Anordnung ist bei dem
Rotor 32 vorgesehen bei dem Bolzen 51c und 51d mit zugeordneten Federn 99c und 99d
sowie Rollen 58c bzw. 58d mit Vorsprüngen bzw. Zapfen 130 und 134 zusammenwirken,wie
dies rig. 7 zeigt.
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Es sei darauf hingewiesen, daß während des normalen Betriebes der
Maschine der in Rückwärtsrichtung gerichtete Druck den Rotor abbremst und dazu sorgt,
daß dieser durch die Klauen-Klinken-Anordnungen gestoppt wird und nicht durch die
Bolzen-Vorsprung-Anordnungen. Wenn die Maschine jedoch allein als Pumpe eingesetzt
wird, -ann sind sitz es die Bolzen-Vorsprung-Anordnungen, welche besti=c, welcher
Rotor sich drehen darf.
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Kammern, Zyklen und Takte Wie bei der Maschine mit zwei Rotoren gemäß
der früheren Anmeldung besitzt auch die Maschine mit drei Rotoren eine gerade Anzahl
von Kammern. Dies gilt deshalb, weil zwei Rotoren jeweils die gleiche Anzahl von
Flügeln aufweisen.
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Aus diesem Grunde ist die Gesamtzahl der Flügel stets gerade.
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Da die zwei Sätze von Flügeln zu einer relativen Drehbewegung gezwungen
werden, dehnt sich jeweils das Volumen der Hälfte der Kammern aus, während sich
das Volumen der anderen Kammern verringert. Die Anordnung wird daher eingesetzt,
um Arbeitszyklen durchzuführen, welche zwei oder noch eine größere Zahl von Takten
umfassen. Die Maschine ist beispielsweise für folgende Anwendungen geeignet: Als
Pumpe, als Flüssigkeitsmesser, als Dampfmaschine, als mit hydrostatischem Druck
arbeitende Maschine und als Maschine zum Ausnutzen externer Verbrennungsvorgänge
einschließlich geothermischer Vorgänge sowie außerdem als Motor für Benzin oder
Dieselkraftstoff und kann in zwei Zyklen arbeiten. Die Maschine mit drei Rotoren
kann für sämtliche vorstehend aufgeführten Einsatzmöglichkeiten verwendet werden.
Wenn jeder der zwei Rotoren pro Umlaufraum mehr als einen Flügel aufweist, sind
die Kammern in Gruppen unterteilt, wobei jede Gruppe zwei Kammern aufweist, von
denen die eine sich erweitert, während die andere ihr Volumen verkleinert. Die Anzahl
der Flügel pro Rotor ermöglicht eine wirksame Erhöhung des Ausgangsdrehmomentes.
Es sei angenommen, daß
die Maschine mit drei Rotoren bei zwei mit
hydrostatischem Druck arbeitenden Kraftwerken eingesetzt wird, wobei eine aer Maschinen
mit einen Flügel pro Rotor arbeItet, während die andere mit n-Flügeln pro Rotor
arbeitet, und wobei beide Maschinen mit dem gleichen hydrostatischen Druck arbeiten.
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Beide Maschinen nehmen während eines ersten ,k=-nWervalls die gleiche
Wassermenge und damit die gleiche Zrs?ie auf.
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Die Maschine mit einem Flügel pro Rotor führt zu einer Drehung der
Abtriebswelle um 1800 und zu einem Drehmoment T.
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Die Maschine mit n-Flügeln pro Rotor führt dagegen nur zu einer Drehung
der Abtriebswelle von 1800/n, jedoch zu einem Drehmoment von n x T. Die Gesamtmenge
der Arbeit,die von beiden Maschinen verrichtet wird, ist die gleiche, wie dies zu
erwarten war. Es ist jedoch zu berücksichtigen, daß die Dauer der Arbeitstakte um
den Faktor n verschieden ist. Aus diesem Grunde wird die Maschine mit n-Flügeln
pro Rotor nmal die Wassermenge(pro Stunde)aufnehmen und daher in dieser Beziehung
die wirksamere Maschine sein. Die gleichen Überlegungen gelten für die Vorteile
in dem Fall,in dem die Maschine mit drei Rotoren durch geothermische heiße Gase
angetrieben wird, welche unter Umständen reichlich,jedoch nur mit einem relativ
niedrigen Druck vorhanden sind. Ein hoher Wert für n wird das Ausgangsdrehmoment
und die Menge des verarbeiteter5 unter Druck stehenden Gases erhöhen. Auch in dem
Fall, in dem eine Maschine mit drei Motoren als Pumpe eingesetzt wird, führt der
höhere Wert für n zur größeren Menge der geförderten Flüssigkeit. Ein Beispiel,
wo dies mit Vorteil ausgenutzt werden kann, ist der Fall, wo die Pumpe in einem
dynamischen Bremssystem zum Umsetzen kinetischer Energie in Luftdruck verwendet
wird.
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Ein hoher Wert von kinetischer Energie kann in potentielle Energie
umgesetzt werden, indem man die Koppelung der Antriebswelle mit der Eingangswelle
einer Pumpe erhöht, welche als Maschine mit zwei oder drei Motoren aufgebaut ist
und bei der
der Wert für n hoch ist, und die Dut von außen in einen
Drucktank pumpt.
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In der früheren Anmeldung wurde gezeigt, daß ko:tplizierte thermodynamische
Zyklen mit vielen Takten ausgeführt werden können, wenn aufgrund einer angemessenen
Anzahl -:on Flügeln pro Rotor eine entsprechende Zahl von Kammer vorhanden ist.
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Die komplexen Arbeitszyklen, die in der früheren Anmeldung beschrieben
sind, umfassen beispielsweise folgende Taktfolgen: Den 4-Takt-Zyklus für Otto-Motoren
mit 1. Ansaugen des Gemisches, 2. Komprimieren des Gemisches, 3. Zünden des Gemisches
und Arbeitshub, 4. Austreiben der verbrannten Gase.
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Neuere Taktfolgen mit folgenden Takten: 1. Einen Arbeitstakt, bei
welchem nach der Explosion des Kraftstoff-Luftgemisches in einer Kammer eine Expansion
in zwei Kammern erfolgt, wobei die zweite Kammer keine Luft enthält, wobei die Temperatur
des gezündeten Gemisches verringert wird.
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2. Gleichzeitige Kompression in zwei Kammern, von denen eine frische
Luft enthält und die andere, die bei der ersten Zündung entstandenen Abgase. Dies
dient dazu, die Temperatur der Luft durch weiteres Verbrennen der Kohlenwasserstoffe
und eine entsprechende Umsetzung von CO in CO2 sowie durch Wärmeübertragung von
den Wänden der Kammer und den heißen Gasen zu erhöhen.
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3. Erweiterung der Kammern im Fall (2), wobei der erhöhte Druck ein
Drehmoment liefern kann.
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4. Die Ausführung von Phantom-Otto-Taktfolgen mit vier Taktet wie
bei einem Viertaktzyklus für Otto-Motoren, wobei jedoch anstelle des Kraftstoff-Luft-Gemisches
nur Luft verwendet wird.
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Dies dient dem Abkilhien der Masonine und dem Umsetzen eines Teils
der in den Innenwanden der Maschine gespibherten Wärme in ein Drehmoment.
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Die vorstenend erwähnten Takte sind ebenso wie bei der Maschine mit
zwei Rotoren auch bei der Maschine mitre Rotoren möglich.
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Druckkammern Nachstehend soll auf ein neues Verfahren zum Umsetzen
von Wärme in ein Drehmoment eingegangen werden, welches von der früheren Anmeldung
nicht erfaßt wird. Das neue Verfahren kann auch bei anderen bekannten Maschinen
angewandt werden, wie z.B. bei Kolbenmotoren und Wankelmotoren. Insbesondere können
aber Maschinen mit zwei oder drei Rotoren in Verbindung mit diesem Verfahren besonders
wirksam eingesetzt werden. Gemäß dem neuen Verfahren sind zusätzlich zu den Kammern
variablen Volumens einer Maschine Druckkammern mit festem Volumen vorgesehen, in
denen relativ kalte Luft aufgeheizt werden kann, indem man sie für eine relativ
lange Zeit in der Druckkammer hält und dann die unter erhöhtem Druck stehende Luft
einer sich vergrößernden Kammer variablen Volumens der Maschine zufUhrt, um so die
Wärme in ein Drehmoment umzuwandeln. Die Druckkammern sind vorzugsweise rund um
das Gehäuse der Maschine vorgesehen, derart, daß sie den Brennkammern dicht benachbart
sind, so daß die durch die Gehäusewand abgeleitete Wärme zum Aufheizen der Druckkammern
ausgenutzt werden kann. Eine weitere Quelle für die Wärme, die zum Aufheizen der
Luft in den Druckkammern erforderlich ist, stellen die heißen Abgase dar.
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Diese heißen Abgase können an die Druckkammern Wärme abgeben, während
sie dazu gezwungen werden an der Außenwand der Druckkammern entlang zu fließen.
Ein weiteres Verfahren, welches bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung verwirklicht ist, besteht darin, daß die heißen Verbrennungsprodukte eines
ersten Verbrennungsvorgangs für Kohlenwasserstoffe einer Druckkammer zugeführt werden,
wo relativ
kühla Luft zugesetzt wird. Die Mischung bleibt darn
für eine vorgegebenen Anzahl von Takten in der Druckkammer und wird dann erneut
in eine -;P-er variablen Volunans eingeleitet.
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Die für die Maschine erforderliche Kühlleistung kann foglich durch
die Luftmenge gesteuert werden, die den Drt'ckkammern zugeführt wird, und durch
die "Verarbeitung" dieser Luft im Verlauf von Phantom-Ottomotorzyklen.
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Nachstehend soll nunmehr gezeigt werden wie das erfahren des Einsatzes
von Druckkammern festen Volumens vorteilhaft in Verbindung mit einer Maschine mit
drei Rotoren gemäß der Erfindung ausgenutzt werden kann.
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Gemäß Fig. 5 sind Druckkammern 29b und 29c mit festem Volumen im Mantel
des Gehäuses 29 vorgesehen und durch Wände 301 und 302 getrennt. Eine zusätzliche
Wand 304 auf der Außenseite' der Druckkammern 29b, 29c dient dazu, die Abgase um
die Druckkammern 29b und 29c herumzuleiten. Dies dient der Übertragung zusätzlicher
Wärme von den Abgasen in das Gas, welches sich in den Druckkammern befindet ehe
die Abgase in die Atmosphäre entlassen werden. Die Abgase gelangen durch einen Einlaß
311 in einen Raum 29f und strömen spiralförmig zu einem Auslaß 317,und zwar durch
einen Kanal, der durch die Wände 304 und 305 gebildet ist sowie durch einen Streifen
310,der im Inneren des Raumes 29d wendelförmig angeordnet ist. Der wendlförmige
Kanal unterstützt die Erhöhung des Zeitraums der Wechselwirkung zwischen den Abgasen
und der Wand 305 der Druckkammer, wodurch der Wärmeübergang aus den Abgasen in die
Druckkammer verbessert wird.
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Eine Kraftfahrzeugmaschine mit hohem Wirkungsgrad Das dargestellte
bevorzugte Ausführungsbeispiel ist ein Beispiel für eine Maschine, welche die Basis
einer hocheffizienten Maschinenanlage für ein Kraftfahrzeug sein kann. Damit eine
Maschine eine hohe Gesamteffektivität erreicht, muß sie in der
Lage
sein Verluste in verschiedener Hinsicht zu verringern, beispielsweise auf die folgenden
Arten: 1. Die Maschine hat einen guten thermischen Wirkungsgrad (Drehmoment x Drehwinkel
der Abtriebswelle pro Kraftstoffeinheit). Die Rückgewinnung der Wärme, welche derzeit
im Kühlsystem und mit den heißen Abgasen erIren geht, kann den thermischen Wirkungsgrad
beträchtlicL erhöhen.
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2. Die Maschine trägt zu einem niedrigen Gewicht des Wagens bei, da
das Kühlsystem entfallen kann, wodurch das Gesamtgewicht der Maschinenanlage erheblich
verringert wird. Dies führt aber zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades, da ein
höheres Gewicht höhere Reibungsverluste aufgrund der Reifendeformation bei fahrendem
Wagen mit sich bringt.
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3. Die Maschine hat ein kleines Volumen, so daß die Größe und damit
das Gewicht der Teile, die die Maschinenanlage des Fahrzeugs umschließen, klein
gehalten werden kann, so daß das Fahrzeug optimal gestaltet und aerodynamisch stromlinienförmig
ausgebildet werden kann, um Reibungsverinste aufgrund des Luftwiderstandes zu reduzieren.
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4. Die Maschine arbeitet als Maschine mit niedriger Leistung, solange
ein normaler Fahrbetrieb vorliegt, ist Jedoch in der Lage, zumindest für kurze Zeitintervalle,
ein erhöhtes Drehmoment zu erzeugen.
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5. Die Maschine ist für den Einsatz eines dynamischen Bremssystems
geeignet,mit dessen Hilfe kinetische Energie, welche normalerweise durch den Bremsvorgang
verloren geht, zurUckgewonnen werden kann. Dies ist besonders beim ständigen Anfahren
und Abbremsen bei dichtem Verkehr von Vorteil.
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6. Die Maschine gestattet eine Art Schichtladung, so daß ein übermässiger
Kraftsto-ffverbrauch vermieden werden kann, wobei gleichzeitig die Menge der Schadstoffe
in den Abgasen abgesenkt wird.
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Die Fig. 1 bis 9 zeigen ein Beispiel für eine au3erst effiziente Maschinenanlage,
die nach den vorstehend au:^ef3hrten Gesichtspunkten gebaut ist. Die Maschine wurde
als Maschine mit drei Rotoren ausgebildet, da bei ihr die vorstehend geforderten
Eigenschaften wirksamer verwirklicht werden können als bei anderen Maschinenanlagen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zwei Maschinen vorgesehen, welche gemeinsam
in einer einzigen Einheit arbeiten. Fig. 2 zeigt die Rotoren und Flügel einer oberen
Maschine 320 und einer unteren Maschine 321. Die obere Maschine 320 besitzt zwei
Flügel 33a und 33b,die an einem oberen Seitenrotor 31 vorgesehen sind, sowie zwei
weitere Flügel 34a und 34b, die an dem mittleren Rotor 41 vorgesehen sind, wobei
alle vier Flügel in einen Umlaufraum 35 hineinragen, der durch die Rotoren 31 und
41 sowie die Gehäusewand 29a begrenzt wird. Die untere Maschine 321 besitzt zwei
Flügel 33c und 33d, die mit dem unteren Seitenrotor 32 verbunden sind sowie zwei
Flügel 34c und 34d, die mit dem mittleren Rotor 41 verbunden sind, wobei alle vier
Flügel in einen Umlaufraum hineinragen, der durch die Rotoren 41 und 32 sowie die
Gehäusewand 29a gebildet wird.
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Mit zwei Flügeln pro Rotor in Jedem Umlaufraum ergeben sich.
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für Jede Maschine vier Kammern mit variablem Volumen und damit insgesamt
acht Kammern in den beiden Maschinen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel steht
Jede der Kammern der oberen Maschine mit einer Kammer der unteren Maschine in Verbindung,
und zwar über Schlitze 340, 342, 343 und 345. Die Schlitze 342 und 345 gehen senkrecht
durch die Platte 41 hindurch und sorgen für eine direkte Verbindung zwischen den
Umlaufräumen der oberen und der unteren Maschine. Die oberen Schlitze 340 und 343
stehen
mit unteren Schlitzen 341 bzw. 344 in Verbindung, und zzar über Kanäle, wie den
Kanal 347. Beide Maschinen 320 und 321 besitzen die gleichen Anschläge f;lr die
Begrenzung der Drenbewegung der Rotoren 31 wnd 32 wie sie oben in Verbindung mit
der oberen Maschine 320 bereits erläutert wurden, so daß die Hinzufugung der zweiten
Maschine 321 keine zusätzlichen getrennten Anschlageinrichtungen erforderlich macht.
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Schmiereinrichtungen Erfindungsgemäß ist die Möglichkeit einer Ölschmierung
vorgesehen.Wie Fig. 1 zeigt, tritt das Öl in einen Einlaß 500 in einer oberen Abdeckung
380 der Druckkammern ein. Von dort gelangt das Öl zu einem ringförmigen Kanal 381,
welcher die Kanäle zwischen den Dichtungselementen der Flügel des oberen Sveitenrotoxs
31 speist. Auf diese Weise gelangt das Schmieröl zu einem ringförmigen Kanal 394,des
mittleren Rotors 41. Aus dem Kanal 394 wandert das Öl zwischen den Dichtungselementen
der beiden Flügel 34a, 34b nach außen zu einem zweiten ringförmigen Kanal 383,der
ebenfalls im mittleren Rotor 41 vorgesehen ist. Als nächstes erfolgt die Schmierung
der unteren Flügel des mittleren Rotors 41, wobei das Schmieröl einen dritten ringförmigen
Kanal 395 erreicht, der ebenfalls im mittleren Rotor 41 vorgesehen ist. Schließlich
wandert das Schmieröl zwischen den Dichtungselementen der Flügel des unteren Seitenrotors
und gelangt schließlich in einen ringförmigen Kanal 382 und von dort zu einem Ölauslaß
395.
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Ein Zvklus mit hohem Wirkungsgrad Ein Zyklus bzw. eine Taktfolge,bei
dem die erfindungsgemäße Maschine mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet wird anhand
der Fig. 9 erläutert. Die Takte über den Diagonalen der Felder in Fig. 9 werden
von den Kammern der oberen Maschine ausgeführt,
Diejenigen unter
den Diagonalen werden von den Kammern der unteren Maschine ausgeführt. Die äußerste
linke Spalte mit der Überschrift "3benen" bezeie:mnat die Ebenen, die von einem
bostimaren Schlitz überstrichen werden, beispielsweise von einem der Schlitze 340,
342, 343 oder 343, wobei eine Verbindung zwischen den einander entsprechenden Kammern
hergestellt wird, von denen sich die eine in der oberen Maschine und die andere
in der unteren Maschine befindet =rnd die während eines bestimmten Taktintervalls
den gleichen Arbeitstakt ausführen. Die Tabelle gemäß Fig. 9 wurde unter der grundsätzlichen
Annahme erstellt, daß alle Flügel winkelmäßig den gleichen Sektor bedecken, und
zwar einen Sektor von etwa 45°.
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Wie Fig. 5 zeigt, sind etwa 300 der von den Flügeln 33a und 33b überdeckten
Sektoren auf die Flügel 34a bzw. 34b übertragen.
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Dies erfolgte um zu zeigen, daß der größere Teil der Masse der Flügel
in den Flügeln des mittleren Rotors zusammengefaßt werden kann, so daß dieser mit
seinen Flügeln als Schwungscheibe wirkt, während gleichzeitig die träge Masse der
Seitenrotoren verringert wird. Bei dieser MaBnahme wird die Lage der Schlitze 340
und 343 im Uhrzeigersinn bezüglich des Gehäuses gedreht, und zwar um Jeweils den
selben Winkel, der im vorliegenden Fall etwa 300 beträgt. In Fig. 9 sind dieJenigen
Kammern, die durch solche verlagerten Schlitze gekennzeichnet sind, in mager gedruckten
Buchstaben eingetragen. Soweit also die in Fig. 9 durch mager gedruckte Buchstaben
bezeichneten Arbeitstakte betroffen sind, sollte die Ebene in der äußersten linken
Spalte um etwa 30° im Gegenuhrzeigersinn korrigiert werden. Beispielsweise ergibt
sich für den Arbeitstakt b während des ersten Taktintervalls,der von den Kammern
durchgeführt wird, die den Schlitz 340 enthalten gemäß Fig. 9 ein Überstreichen
der Ebenen 2 - 8 entsprechend einem Winkel von - 450 + 450 mit dem Bezugswinkel
von 0° in der radialen Ebene 1.
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Wegen der Verlagerung des Schlitzes 340 ist der Winkel, welcher von
dem Schlitz 340 bezüglich des Gehäuses beim Arbeitstakt b für die genannten Kammern
überstrichen wird zwischen - 750 und + 150 bezüglich der radialen Ebene 0-1, die
dem Winkel von Oo
entspricht. Die oberen 1- 7, die dem Arbeitstakt
A entsprechen, sind nicht so zu korrigieren, da der Schlitz 345 bei der winkelmäßigen
Verlage'-z.0-- des Sektorwinkels von den Flügeln des Seitenrotors auf die Flügel
des :71ittelros-s nicht verlagert wurde.
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Der Zyklus für das bevorzugte Ausführungseispiel soll nachstehend
im einzelnen beschrieben werden. Der Zyklus besteht aus vier Sätzen mit Jeweils
vier Takten, w^bn eder Satz einem Arbeitszyklus eines Ottomotors entspricht. Die
vier Zyklen sind in Fig. 9 mit A, B, C, D (fett), a, b, c, d (fett), A, B, C, D
(mager) und a, b, c, d (mager) gekennzeichnet. Die fettgedruckten Großbuchstaben
A, B, C, D in Fig. 9 bezeichnen die vier Takte eines modifizierten Arbeitszyklus
für Ottomotoren.
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Während eines beträchtlichen Teils des Taktes A wird der Kammer, welche
die Ebenen 1 - 7 überläuft, Luft zugeführt, wenn eine Ausbuchtung 394 eines Schlitzes
346 in der Platte 40a und ein Kanal 544 miteinander fluchten, der in die Unterseite
der oberen Grundplatte 29e eingeschnitten ist,wie dies Fig. 3 zeigt. Dem Kanal 544
wird die Luft, vorzugsweise unter Druck, von einem Drucklufttank 411 über einen
Einlaß 541 zugeführt, den Fig. 3 zeigt. Die beiden Kammern, eine in der oberen Maschine
320 die andere in der unteren Maschine 321, nehmen Druckluft auf. Später im Laufe
des Zyklus gelangt die Ausbuchtung 391 über den Kanal 544 und nimmt Kraftstoff aus
dem Kanal 543 auf, dem der Kraftstoff über den Einlaß 542 in Fig. 3 zugeführt wird.
Da der Kraftstoff durch die Kammer der oberen Maschine hindurch muß, ehe er die
Kammer der unteren Maschine erreicht, bleibt der überwiegende Teil des Kraftstoffs
in der Kammer der oberen Maschine. Aufgrund dieser Schichtung des Kraftstoffs ist
die Konzentration desselben in der Kammer der oberen Maschine wesentlich höher als
in der Kammer der unteren Maschine. Die Zündung während des folgenden Taktes C kann
somit in der Kammer der oberen Maschine erfolgen, wobei die Ausbreitung sowohl durch
die obere
als auch durch die untere Karner erfolgt, nd zwar bei
wesentlich magereren Gemiscnen. Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert somit
eine übermäßige Einspeisung von Kraftstoff in de Verbrennungskammern allein aus
dem Grund, da3 für die Zündung eine ausreichend hohe Konzentration aufrechterhalten
werden muß, wie dies bei den meisten üblichen Brennkraftmaschinen der Fall ist.
Gleichzeitig hilft das Verfahren die Zeit zu verkürzen, in welcher stark erhöhte
Temperaturen vorliegen,so daß die Erzeugung von Stickoxyden reduziert wird.
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Während des Taktes D werden die gasförmigen Produkte des ersten Verbrennungsschrittes
während des vierten Taktintervalls in der Druckkammer 29c komprimiert. Dies wird
erreicht, wenn die Öffnung 361 in der Platte 32a (Fig. 6) mit einem Schlitz 363
(Fig. 7) und einem Auslaß 368 (Fig. 8) fluchtet. Der Auslaß 368 ist direkt mit einem
Einlaß 370 verbunden, welcher mit einem Kanal 371 in Verbindung steht, der zwischen
dem Rotor 32 und dem Gehäuse 29 vorgesehen ist. Die Verbrennungsprodukte des ersten
Verbrennungsschrittes werden ferner der Druckkammer 29c zugeführt, während ein Schlitz
390 in der Platte 32a mit einer Öffnung 392 in einer Deckplatte 281 fluchtet, die
das untere Ende der Druckkammern verschließt.
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Der Druckkammer 29c wurde ein "Schuß" kalter Druckluft aus dem Drucklufttank
411 während des vorangegangenen Taktintervalls über einen Einlaß 432 (Fig. 10) zugeführt.
Dies kann mit Hilfe eines relativ einfachen Luftverteilers 430 erreicht werden,
der direkt durch die Abtriebswelle 40 der Maschine angetrieben wird und mit dessen
Hilfe eine Verbindung zwischen dem Drucklufttank 411 und den Druckkammern 29b und
29c herstellbar ist.
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Die Mischung der heißen Verbrennungsprodukte des ersten Verbrennungsschrittes
und der kalten Luft bleibt während des ganzen folgenden Taktintervalls in der Druckkammer.
Es kann erwartet werden, daß sich während dieser Zeit nahezu ein Temperaturgleichgewicht
zwischen den heißen Abgasen und der
kÜhlen Luft ergibt. Die Temperatur
der mischung wird ferner durch Wärme erhöht welche durch die Wände der Druckkammern
aus den Verbrennungskammern zugeführt wird, sowie aus den in dl Atmosphäre auszublaseden
heißen Abgasen, die wendelförmig um die Druckkammern herumgeleitet werden. Die Druckkammer
29c wird dann wieder mit den Kammern vertiderlichen Volumens verbunden, wo nunmehr
die in Fig. 9 im Fettdruck bezeichneten Takte a, b, c und d durchgefWft werden.
Während des Taktes a (fett),der im sechsten Taktintervall durchgeführt wird,(dieses
Taktintervall entspricht in Fig. 9 dem Taktintervall 2), wird die Mischung der Abgase
des ersten Verbrennungsschrittes und der Druckluft in eine Kammer variablen Volumens
zurückgeleitet, wenn die Öffnung 350 der Platte 31a (Fig. 4) sich mit der Öffnung
420 in der oberen Abdeckung 380 der Druckkammern deckt (Fig. 4). Aus dem ringförmigen
Kanal 420 wird das Gasgemisch über den Auslaß' 432 einem Einlaß 340 (Fig. 5) zugeführt.
Das Gemisch erreicht dann die richtige Kammer bei Koinzidenz der Öffnung 340, einer
Öffnung 351 in der Platte 31a und eines Schlitzes 347 in der Platte 40a (Fig. 4).
Das in die Kammer eintretende Gemisch wird einem vollen Viertakt-Unterzyklus unterworfen,
der in Fig.9 mit mageren Buchstaben bezeichnet ist. Während des Taktes b wird das
Gemisch erneut komprimiert und nimmt dabei Wärme von den Wänden der Kammer auf.
Wenn die Temperatur und der Druck des Gemisches angehoben werden, verbrennen unverbrannte
Kohlenwasserstoffe, wie z.B. CO zu C02, wobei die zusätzlich erzeugte Wärme den
Prozess beschleunigt und den Gasdruck weiter anhebt, welcher dann während des folgenden
Taktes c (fett) in ein nutzbares Drehmoment umgewandelt werden kann.
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Während der Takte d steht der Auslaß 367 mit dem Einlaß 311 in Verbindung.
Während des folgenden Viertakt-Zyklus A, B, C, D (mager) läuft eine seitliche Erweiterung
359 (Fig. 4) zu einem Kanal 345, wobei nur Luft zugeführt wird.Bei den folgenden
acht Takten, B, C, D, a, b, c, d (mager) herrschen die gleichen Bedingungen wie
bei den vorstehend beschriebenen acht Takten A, B, C, D, a, b, c, d (fett), mit
dem Unterschied,
daß normalerweise der Maschine kein Kraftstoff
zugeführt wird.
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Diese acht Takte stellen zwei Phantom-Viertaktzyklen für Ottomotoren
dar, welche der Abkühlung der Maschine dienen und in deren Verlauf ein Teil der
Wärme in nutzbares Drehmoment umgewandelt wird. Wenn eine Notfallbeschleunigung
erforderlich ist, wird in die von dem Einlaß 341 (Fig. 3) einströmende Luft über
einen speziellen Einlaß 358 Kraftstoff zugeführt, so daß eine reguläre A, B, C,
D, a, b, c, d (fit) -Taktfolge durchgeführt wird, mit der das erforderliche zusätzliche
Drehmoment aufgebracht wird.
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Drucklufttank und dYnamisehes Bremsen Fig. 10 zeigt die Maschine 30
in Verbindung mit einem Drucklufttank 411 und einer Pumpe 410 mit hohem Drehmoment.
Der Drucklufttank 411 dient dazu, für den komplizierten vorstehend beschriebenen
Arbeitszyklus Druckluft zu liefern. Die Energie in dem System wird gespeichert und
Jeglicher Druck der vom Drucklufttank den Druckkammern oder den Kammern veränderlichen
Volumens zugeführt wird, wird zu gegebener Zeit in ein Drehmoment umgesetzt. Es
ist Arbeit erforderlich, um in dem Drucklufttank 411 einen minimalen Luftdruck aufrechtzuerhalten.
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Dieser Druck kann bei der Maschine mit drei Rotoren mittels zweier
Pumpen gewonnen werden, wobei Jeder Rotor zusätzlich zwei Flügel in den Räumen angrenzend
an die Abtriebswelle 40 besitzt, die im Bereich zwischen den Lagern 43, 43a und
44, 44a in radialer Richtung auf die erforderliche Größe erweitert sind.
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Die Steuerung der Öffnungen für die obere Pumpe kann beispielsweise
mittels Öffnungen in der Gehäusebasis 29e und der Rotorplatte 34a erfolgen sowie
mittels Schlitzen, die in der Platte 40a angrenzend an die Schlitze 347 und 352
angrenzend an die Abtriebswelle vorgesehen sind. Weder die beiden genannten Pumpen
noch die zugehörigen Schlitze und Öffnungen sind in der Zeichnung gezeigt. Der Druck,
der mit Hilfe derartiger Pumpen erzeugt wird, kann dem Drucklufttank über eine Leitung
405 zugeführt werden, die durch einen Pfeil angedeutet ist. In Fig. 10 ist ferner
eine Überdruckeinheit 442 gezeigt,
die durch ein Ventil gebildet
ist, welche die Leitung von den beiden Pumpen zur Atmosphäre öffnet, wenn der Druck
in dem Drlckllfttnnk einen vorgegebenen Wert erreicht. Bei diesem Betriebszustand
saugen die beiden Pumpen Luft aus der Atmosphäre an und drücken die Luft wieder
in die Atmosphäre zurück ohne Derzeit zu verrichten. Wenn der Druck in dem Drucklufttank
niedriger ist als der vorgegebene Drucktdann arbeiten die beiden Pumpen, indem sie
Luft in den Drucklufttank pumpen und so potentielle Energie speichern.
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Beim Anfahren und Abbremsen bei dichtem Verkehr und bei Talfahrten
kann mittels der dynamischen Bremseunrichtung gemäß Fig. 10 der Luftdruck in dem
Luftdrucktank 411 mit Hilfe einer Pumpe 410 mit hohem Drehmoment erzeugt werden.
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Die Bremsen können dabei eine veränderliche Wellenkupplung 409 betätigen,
welche den Schlupf zwischen zwei Wellen wirksam verringern kann. Eine der Wellen
ist dabei mit der Antriebswelle verbunden, während die andere die Abtriebswelle
einer Maschine 410 mit zwei oder drei Rotoren sein kann, wobei eine große Anzahl
von Flügeln pro Rotor vorgesehen ist, so daß die Pumpe eine beträchtliche Luftmenge
sehr schnell verarbeiten kann und auf diese Weise in der Lage ist, große Mengen
kinetischer Energie zu absorbieren. Die mit Hilfe der Pumpe 410 in dem Drucklufttank
411 gespeicherte Energie verringert den Bedarf an Druckluft, welche von den zwei
Pumpen erzeugt wird und bewirkt damit eine Energieeinsparung.
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Anwendungen In der vorstehenden Beschreibung wurde auf verschiedene
mögliche Anwendungen der Erfindung hingewiesen. Nachstehend soll nunmehr genauer
auf die speziellen Modifikationen des Grundaufbaus einer Maschine mit drei Rotoren
eingegangen werden, die für die verschiedenen Anwendungen erforderlich sind.
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Wenn die drei Rotor-Maschine als Dampfmaschine eingesetzt wird um
den Dampfdruck in ein Drehmoment umzusetzen, wenn
sie als hydrostatische
Maschine eingesetzt wird, um den Wasser druck in ein Drehmoment umzusetzen, wenn
sie als geothermische Maschine eingesetzt wird und ganz allgemein, wenn sie als
externe Brennkraftmaschine zum Umsetzen des Drucks heißer Gase in ein Drehmoment
eingesetzt wird, dann kann sie so ausgebildet werden, daß sie Zweitaktzyklen ausführt.
In diesen Fällen werden alle Einlaßöffnungen miteinander verbunden, so daß das unter
Druck stehende Medium allen sich vergroSernden Kammern zugeführt werden kann. In
entsprechender Weise sind alle Auslaßöffnungen miteinander verbunden, so daß sich
die kleiner werdenden Kammern gemeinsam zu irgend einem Auslauf entleeren können.
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Da in den genannten Fällen keine Gefahr für Fehlztindungen besteht,
werden auch keine Anschläge für die Begrenzung der Drehung in Vorwärtsrichtung benötigt.
Die Maschine kann mit Hilfseinrichtungen zusammengefaßt werden, wie sie beispielsweise
in Fig. 20 der früheren Anmeldung gezeigt sind.
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Als Brennkraftmaschine mit interner Verbrennung kann die Maschine
mit drei Rotoren in Verbindung mit Druckkammern festen Volumens eingesetzt werden
oder nicht und komplizierte thermodynamische Zyklen ausführen. Beispielsweise können
die Einlaßoeffnungen zu einer einzigen Einlaßöffnung zusammengefaßt sein, während
die Auslaßöffnungen zu einer einzigen Auslaßöffnung zusammengefaßt sein können,
wobei mit einem einfachen Otto-Viertakt oder einem einfachen DieseiViertakt gearbeitet
werden kann. Die Maschine kann in geeigneter Weise mit Hilfseinrichtungen zusammengefaßt
sein wie sie in den Fig. 18 und 19 der früheren Anmeldung gezeigt sind, um als Benzinaggregat
oder als Dieselaggregat zu arbeiten. Es sei darauf hingewiesen, daß derartige Maschinen
mit einer Wasserkühlung oder einer Luftkühlung arbeiten können, wobei der Raum der
beim bevorzugten Ausfühungsbeispiel den Druckkammern 29b und 29c mit festem Volumen
zugeordnet ist sowie der wendelförmige Kanal 29d für die Abgase für den Kishlmitteldurchlauf
verwendet werden können, d.h. für den Durchlauf für Wasser oder Luft.
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Bei ihrem Einsatz als Pumpe kann die Dreirotormaschine als Zweitaktmaschine
arbeiten, wobei alle Einläße zu einem einzigen Einlaß zusammengefaßt sind, der mit
dem Bereich niedrigerem Drucks in Verbindung steht und mit allen ihr Volumen vergrößernden
Kammern. In entsprechender Weise können sämtliche Ausläße zu einem einzigen Auslaß
zusammengefaßt sein, der mit dem Bereich höheren Druckes sowie mit samtlichen ihr
Volumen verkleinernden Kammern in Verbindung steht. Da beim Einsatz der Maschine
als Pumpe die Energie über die beim Ausführungsbeispiel die Abtriebswelle bildende
Welle zugeführt wird, sind keine Anschläge zur Begrenzung der Drehung in Rückwärtsrichtung
erforderlich. Andererseits sind jedoch Anschläge für die Begrenzung der Drehung
in Vorwärtsrichtung nötig, da beide Rotoren durch das über die Welle eingeleitete
Drehmoment in Vorwärtsrichtung angetrieben werden. Ohne Hilfsenergie betätigte Druckventile
können Bestandteil der Pumpe sein oder nicht und können zu der Last gehören.
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Als Flüssigkeitsmesser kann die Dreirotormaschine in Form einer Pumpe
oder in Form einer Maschine vorgesehen sein,und zwar Je nachdem, ob die zu messenden
Flüssigkeit unter Druck steht oder nicht. Wenn beispielsweise Wasser unter Druck
zugeführt wird, dann kann ein Wassermesser bzw. eine Wasseruhr als eine Maschine
ausgeführt sein, während die erfindungsgemäßge Anordnung als Benzinuhr'in einer
Tankstelle als Pumpe arbeitet.
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Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die geschlossene Randkurve,
welche als Erzeugende für die Umlaufkammer dient, nicht unbedingt rechteckig sein
muß. Die Erzeugende kann vielmehr auch rund sein, so daß die Umlaufkammer ein Torus
wird oder in anderer geeigneter Weise ausgestaltet sein. Weiterhin sei darauf hingewiesen,
daß die drei Rotoren 31,32,41 nicht unbedingt über ein Differentialgetriebe miteinander
verbunden sein müssen, sondern auch über andere geeignete Rückwirkeinrichtungen
zum Übertragen von Drehmomenten von dem einen Seitenrotor zum anderen Seitenrotor
und zum Mittelrotor.