CH715666A1 - Drehkolbenmotor. - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor (1) umfasst zwei Sperrwalzen (2) mit jeweils zwei Einbuchtungen (3) und eine Drehkolbenwalze (4) mit zwei Ausbuchtungen (5) zum Eingriff in die Einbuchtungen (3). Des Weiteren umfasst der Drehkolbenmotor (1) ein Motorgehäuse (7) zur Aufnahme der zwei Sperrwalzen (2) und der Drehkolbenwalze (4). Darüber hinaus umfasst der Drehkolbenmotor (1) mindestens eine Arbeitskammer (8), die zwischen der Drehkolbenwalze (4), der Sperrwalzen (2) und dem Motorgehäuse (7) ausgebildet ist. Ausserdem umfasst der Drehkolbenmotor (1) eine Einlassvorrichtung und eine Auslassvorrichtung (10). Die Auslassvorrichtung (10) weist einen steuerbaren Verschluss (11) auf.

Description

Technisches Gebiet

[0001] Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor. Der Drehkolbenmotor umfasst zwei Sperrwalzen mit jeweils zwei Einbuchtungen und eine Drehkolbenwalze mit zwei Ausbuchtungen zum Eingriff in die Einbuchtungen. Des Weiteren umfasst der Drehkolbenmotor ein Motorgehäuse zur Aufnahme der zwei Sperrwalzen und der Drehkolbenwalze. Darüber hinaus umfasst der Drehkolbenmotor Arbeitskammern, die zwischen der Drehkolbenwalze, den Sperrwalzen und dem Motorgehäuse ausgebildet sind. Ausserdem umfasst der Drehkolbenmotor eine Einlassvorrichtung und eine Auslassvorrichtung.

[0002] Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemässen Drehkolbenmotors.

Stand der Technik

[0003] Drehkolbenmotoren, wie beispielsweise der Wankelmotor, sind seit langem bekannt. Gegenüber den weitverbreiteten Hubkolbenmotoren versprechen sie Vorteile wie bessere Laufruhe und höherer Wirkungsgrad, weil der Drehkolbenmotor gegenüber dem Hubkolbenmotor keinen Kolbenstillstand aufweist. In der Praxis haben sich diese Vorteile jedoch nur bedingt realisieren lassen. Zudem leiden bekannte Drehkolbenmotoren häufig unter Zuverlässigkeitsproblemen.

[0004] So offenbart die EP 0 602 272 B1 (Müller) beispielsweise eine Rotationskolbenmaschine mit einer Welle, die flügelartige Kolben aufweist. Die Welle ist zwischen zwei weiteren Drehkörpern achsparallel angeordnet. Die Welle und die zwei weiteren Drehkörper werden von einem Gehäuse derart umschlossen, dass Arbeitsräume wie beispielsweise Brennkammern entstehen. Ausserdem weist die Rotationskolbenmaschine zwei Zündkerzen und zwei Auslasskanäle auf.

[0005] Eine solche Anordnung kann zwar einen sehr guten Wirkungsgrad haben, ist aber fertigungstechnisch sehr anspruchsvoll. Die Wärmeausdehnung der Drehkolbenwalze ist viel stärker als die der Sperrwalzen und die des Motorgehäuses. Dies kann zu einem Verklemmen der Drehkolbenwalze im Motorgehäuse führen, wodurch die Rotationskolbenmaschine zerstört werden kann. Um dies zu vermeiden, können die Toleranzen erhöht werden, was dann aber zu Undichtigkeiten beispielsweise zwischen den Walzen führen kann, worunter der Wirkungsgrad wiederum leidet. Zusammenfassend kann also gesagt werden dass trotz aller Entwicklungen der Wirkungsgrad bei allen bekannten Drehkolbenmotoren weiterhin zu wünschen übrig lässt.

Darstellung der Erfindung

[0006] Aufgabe der Erfindung ist es, einen dem eingangs genannten technischen Gebiet zugehörenden Drehkolbenmotor zu schaffen, welcher einen verbesserten Wirkungsgrad hat. Zudem ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Drehkolbenmotors zu schaffen, das einen verbesserten Wirkungsgrad erlaubt.

[0007] Die Lösung der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 definiert. Gemäss der Erfindung weist die Auslassvorrichtung einen steuerbaren Verschluss auf.

[0008] Ein in der Auslassvorrichtung angeordneter steuerbarer Verschluss hat den Vorteil, dass er beispielsweise abhängig vom Druck in einer der Arbeitskammern geöffnet oder geschlossen werden kann. Damit lässt sich eine grosse Verbesserung des Wirkungsgrades der Drehkolbenmaschine erreichen.

[0009] Die zwei Sperrwalzen können achsparallel mit der Drehkolbenwalze angeordnet sein. Ausserdem können die zwei Sperrwalzen und die Drehkolbenwalze derart angeordnet sein, dass jeweils ein Reibschluss zwischen der Drehkolbenwalze und jeder der zwei Sperrwalzen ausgebildet wird, und/oder dass fluiddichte Verbindungen zwischen der Drehkolbenwalze und jeder der zwei Sperrwalzen ausgebildet werden. Alternativ und/oder zusätzlich können die Walzen auch über eine Synchronisiervorrichtung, wie beispielsweise Zahnräder oder Zahnriemen, miteinander in Wirkverbindung stehen.

[0010] Fluide können Flüssigkeiten oder Gase sein.

[0011] Die zwei Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze können beispielsweise ausgebildet sein wie die Zähne eines Zahnrades. Entsprechend können die Einbuchtungen der Sperrwalzen beispielsweise ausgebildet sein wie die Einbuchtungen in einer Zahnstange, die zur Aufnahme der Zähne eines Zahnrades bestimmt sind. Somit kann die Drehkolbenwalze über ihre Ausbuchtungen ein Drehmoment auf die Sperrwalzen über deren Einbuchtungen ausüben. Folglich kann ein Formschluss zwischen den Einbuchtungen der Sperrwalzen und den Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze ausgebildet werden, wenn eine Ausbuchtung einer Drehkolbenwalze in eine Einbuchtung einer Sperrwalze eingreift. Die Oberflächen der Ausbuchtungen und/oder Einbuchtungen können als Evolventen oder Zykloidverzahnung ausgebildet sein. Die zwei Einbuchtungen können symmetrisch auf jeder Sperrwalze angeordnet sein, beispielsweise an gegenüberliegenden Stellen auf der Sperrwalze. Entsprechend können die zwei Ausbuchtungen symmetrisch auf der Drehkolbenwalze angeordnet sein, beispielsweise an gegenüberliegenden Stellen auf der Drehkolbenwalze. Die Drehkolbenwalze und/oder die zwei Sperrwalzen können aus Metall hergestellt sein, insbesondere aus Stahl. Die Drehkolbenwalze und/oder die zwei Sperrwalzen können auch aus einem temperaturbeständigen Werkstoff sein, wie beispielsweise Keramik, oder sie können ganz oder teilweise mit einer Keramikschicht beschichtet sein.

[0012] Das Motorgehäuse kann die Drehkolbenwalze und die zwei Sperrwalzen derart umschliessen, dass Arbeitskammern ausgebildet werden. Dabei hängt die Anzahl der Arbeitskammern von der Stellung der Drehkolbenwalze ab, oder mit anderen Worten, vom Drehwinkel der Drehkolbenwalze.

[0013] Wenn die Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze in die Einbuchtungen der Sperrwalzen eingreifen (Drehwinkel beispielsweise 0° oder 180°), können zwei Arbeitskammern ausgebildet werden, die sich in Umfangsrichtung der Drehkolbenwalze beispielsweise jeweils von einem Berührungspunkt einer der Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze mit einer Einbuchtung einer der Sperrwalzen bis zu einem gegenüberliegenden Berührungspunkt einer gegenüberliegenden Ausbuchtung der Drehkolbenwalze mit einer Einbuchtung der anderen der Sperrwalzen erstrecken.

[0014] Wenn die Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze nicht in die Einbuchtungen der Sperrwalzen eingreifen (Drehwinkel beispielsweise 30°, 60°, 90° usw.), können vier Arbeitskammern ausgebildet werden, da im Unterschied zum vorherigen Fall die Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze eine Unterteilung der zuvor erwähnten zwei Arbeitskammern bewirken können. Die vier Arbeitskammern können sich in Umfangsrichtung der Drehkolbenwalze jeweils von einem Berührungspunkt der Drehkolbenwalze mit einer der Sperrwalzen bis zu einer der Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze erstrecken, oder umgekehrt.

[0015] In radialer Richtung der Drehkolbenwalze können sich in beiden Fällen (zwei oder vier Arbeitskammern) die Arbeitskammern von der Drehkolbenwalze bis zum Motorgehäuse erstrecken. Der Teil der Oberfläche des Motorgehäuses, der die Arbeitskammern in radialer Richtung umschliesst, kann zylindrisch ausgebildet.

[0016] In axialer Richtung der Drehkolbenwalze können sich in beiden Fällen die Arbeitskammern zwischen zwei Stirnflächen des Motorgehäuses erstrecken, die eine zylindrische Oberfläche des Motorgehäuses in axialer Richtung begrenzen.

[0017] Im Betrieb des Drehkolbenmotors können die Arbeitskammern verschiedene Funktionen übernehmen. Beispielsweise kann eine Einlassvorrichtung derart in Wirkverbindung mit den Arbeitskammern stehen, dass ein Treibstoff in die Arbeitskammern einbringbar ist. Anschliessend können die Arbeitskammern als Brennkammern fungieren, wenn beispielsweise durch Zünden des Treibstoffes dessen Verbrennung ausgelöst wird. Unter Zünden kann sowohl eine Fremdzündung als auch eine Selbstzündung verstanden werden. Des Weiteren kann eine Auslassvorrichtung derart in Wirkverbindung mit den Arbeitskammern stehen, dass ein verbrannter Treibstoff aus den Arbeitskammern ausbringbar ist.

[0018] Die Drehkolbenwalze und die beiden Sperrwalzen können durch konventionelle Lager gelagert sein, insbesondere können sie auch durch Magnetlager gelagert werden, die praktisch verschleissfrei arbeiten.

[0019] Die Auslassvorrichtung kann insbesondere zwei Auslasskanäle aufweisen. Die Auslasskanäle können eine Fluidverbindung zwischen jeweils einer Arbeitskammer und beispielsweise einer äusseren Umgebung des Drehkolbenmotors herstellen. Die Auslasskanäle können radial angeordnet sein, d. h. an einer zylindrischen Oberfläche des Motorgehäuses, und/oder sie können axial angeordnet sein, d. h. an einer oder beiden Stirnflächen des Motorgehäuses. Beispielsweise können die Auslasskanäle derart an der Oberfläche des Motorgehäuses angeordnet sein, dass sie jeweils benachbart zu einem Berührungspunkt der Drehkolbenwalze mit einer der Sperrwalzen sind, und/oder dass sie sich gegenüberliegend angeordnet sind.

[0020] Im Betrieb des Drehkolbenmotors, insbesondere bei einer Rotationsbewegung der Drehkolbenwalze um ihre Längsachse, rotieren die Arbeitskammern mit der Drehkolbenwalze. Dabei ändert sich ständig die Grösse der Arbeitskammern. Wie schon erwähnt, kann sich bei bestimmten Positionen (Drehwinkeln) der Drehkolbenwalze auch kurzzeitig die Anzahl der Arbeitskammern ändern. Die Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze können als Drehkolben fungieren.

[0021] Als Treibstoff kommt grundsätzlich jedes flüssige und/oder gasförmige brennbare und/oder explosive Material in Betracht. Insbesondere kann der Treibstoff bereits Luft oder Sauerstoff beinhalten.

[0022] Ein steuerbarer Verschluss ist eine Vorrichtung zur Absperrung oder Steuerung des Durchflusses von Fluiden.

[0023] In einer besonderen Ausführungsform weist der steuerbare Verschluss ein Ventil auf, insbesondere ein mechanisches, elektrisches, oder magnetisches Ventil.

[0024] Ventile sind besonders gut geeignet als steuerbarer Verschluss. Sie sind in vielfältiger Weise bekannt und kommerziell erhältlich oder einfach zu fertigen. Besonders vorteilhaft sind elektrische und magnetische Ventile, weil sie einfach zu steuern sind.

[0025] Es ist aber auch möglich, andere Absperrorgane und/oder Armaturen zu verwenden, wie beispielsweise Absperrklappen und/oder Kugelhähne.

[0026] In einer besonderen Ausführungsform weist der steuerbare Verschluss einen Schieber auf.

[0027] Schieber sind ebenfalls besonders gut geeignet als steuerbarer Verschluss. Sie sind ebenfalls in vielfältiger Weise bekannt und kommerziell erhältlich oder einfach zu fertigen. Besonders vorteilhaft sind umlaufende Schieber, die mit der Drehkolbenwalze umlaufen und je nach Stellung der Drehkolbenwalze, d. h. Drehwinkel, geöffnet oder geschlossen werden können.

[0028] Wie bereits zuvor erwähnt, ist es aber auch möglich, andere Absperrorgane und/oder Armaturen zu verwenden, wie beispielsweise Absperrklappen und/oder Kugelhähne.

[0029] In einer besonderen Ausführungsform ist der steuerbare Verschluss benachbart zu einer Arbeitskammer angeordnet.

[0030] Dadurch wird eine optimale Nutzung der Arbeitskammern erreicht.

[0031] Es ist aber auch möglich, den steuerbaren Verschluss entfernt von einer Arbeitskammer anzuordnen, um die Temperaturanforderungen des steuerbaren Verschlusses zu reduzieren.

[0032] In einer besonderen Ausführungsform weist die Einlassvorrichtung mindestens eine Einspritzvorrichtung auf.

[0033] Die mindestens eine Einspritzvorrichtung ist zum Einspritzen eines Treibstoffes in die Arbeitskammern ausgebildet.

[0034] Eine Einspritzvorrichtung hat den Vorteil, dass zu einem vorbestimmten Zeitpunkt eine vorbestimmte Menge des Treibstoffes unter einem vorbestimmten Druck in eine oder mehrere Arbeitskammern einspritzbar ist.

[0035] Es ist aber auch möglich, dass der Drehkolbenmotor zusätzlich oder alternativ über eine Angsaugvorrichtung verfügt, durch die ein Treibstoff und/oder Luft in die Arbeitskammern einbringbar ist.

[0036] Zudem ist es möglich, dass der Drehkolbenmotor zusätzlich oder alternativ über eine Verdichtervorrichtung verfügt, durch die ein Treibstoff und/oder Luft in verdichteter Form, also mit erhöhtem Druck, in die Arbeitskammern einbringbar ist.

[0037] In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Drehkolbenmotor des Weiteren eine Zündvorrichtung, wobei die Zündvorrichtung insbesondere eine Zündkerze oder eine Laser-Zündvorrichtung aufweist.

[0038] Eine solche Zündvorrichtung hat den Vorteil, dass der Treibstoff zu einem vorbestimmten Zeitpunkt gezündet werden kann.

[0039] Die Zündvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass jeweils eine Zündkerze oder eine Laser-Zündvorrichtung in Wirkverbindung mit jeweils einer Arbeitskammer steht, in der sich Treibstoff befindet.

[0040] Es ist aber auch möglich, auf eine Zündvorrichtung zu verzichten, wenn beispielsweise der Treibstoff in der Arbeitskammer beim bestimmungsgemässen Gebrauch des Drehkolbenmotors selbst zündet.

[0041] In einer besonderen Ausführungsform ist das Motorgehäuse zumindest im Bereich der Arbeitskammern aus Keramik.

[0042] Dies hat den Vorteil, dass der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor mit erhöhten Temperaturen (gegenüber einem konventionellen Drehkolbenmotor) betrieben werden kann, da Keramiken sehr temperaturbeständig sind. Ein Betrieb des Drehkolbenmotors bei erhöhten Temperaturen hat den Vorteil, dass der Wirkungsgrad verbessert wird. Da Keramiken in der Regel keine gute Wärmeleitfähigkeit haben, dient das Motorgehäuse, das teilweise oder ganz aus Keramik ist, auch als Isolator. Dadurch kann die Temperatur im Motorgehäuse vereinheitlicht und/oder erhöht werden, was die Zuverlässigkeit und/oder den Wirkungsgrad verbessert.

[0043] Ein weiterer Vorteil ist, dass das Motorgehäuse kühlungsfrei sein kann. Insbesondere kann der Bereich des Motorgehäuses, der sich benachbart zu den Arbeitskammern befindet, kühlungsfrei sein.

[0044] Es ist aber auch möglich, dass die gesamte Oberfläche des Motorgehäuses, die die Sperrwalzen und Drehkolbenwalze umschliesst, aus Keramik ist. Ebenfalls ist es möglich, dass das Motorgehäuse zumindest im Bereich der Arbeitskammern aus einem anderen temperaturbeständigen Material ist, wie beispielsweise temperaturbeständigem Stahl, oder dass eine Kühlung des Motorgehäuses vorgesehen ist.

[0045] In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Drehkolbenmotor des Weiteren einen Behälter zur Aufnahme eines Fluides.

[0046] Dieser Behälter kann beispielsweise zur Aufnahme eines Fluides genutzt werden, das bei der Verbrennung des Treibstoffes entsteht. Der Behälter kann in Wirkverbindung mit der Auslassvorrichtung sein, insbesondere kann der Behälter in Fluidverbindung mit einem Auslasskanal stehen.

[0047] Es ist aber auch möglich, dass ein Fluid, das bei der Verbrennung des Treibstoffes entsteht, direkt aus dem Drehkolbenmotor vollständig oder teilweise zu einer äusseren Umgebung des Drehkolbenmotor auslassbar ist. Insbesondere kann es möglich sein, dass ein solches Fluid aus einer Arbeitskammer des Drehkolbenmotors vollständig oder teilweise mittels der Auslassvorrichtung zu einer äusseren Umgebung des Drehkolbenmotors auslassbar ist.

[0048] In einer besonderen Ausführungsform ist in der Auslassvorrichtung eine Kühlvorrichtung angeordnet.

[0049] Dadurch können beispielsweise gasförmige Verbrennungsprodukte, die bei der Verbrennung des Treibstoffes entstehen, auskondensieren. Insbesondere kann beispielsweise Wasserdampf zu Wasser kondensieren. Dadurch können vorteilhafte Druckverhältnisse in den Arbeitskammern entstehen, die bei geeigneter Steuerung des steuerbaren Verschlusses zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades des Drehkolbenmotors beitragen können.

[0050] Falls die Auslassvorrichtung Auslasskanäle aufweist, ist bevorzugt in und/oder an jedem Auslasskanal eine Kühlvorrichtung angeordnet.

[0051] Es ist aber auch möglich, dass aufgrund des Druckes und/oder der Temperatur beispielsweise in den Arbeitskammern ein gasförmiges Verbrennungsprodukt aus kondensiert, so dass keine Kühlvorrichtung in der Auslassvorrichtung angeordnet ist.

[0052] In einer besonderen Ausführungsform umfasst der Drehkolbenmotor des Weiteren eine weitere Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Wasser und/oder Wasserdampf in die Arbeitskammern.

[0053] Dadurch kann der Verbrennungsvorgang verstärkt werden, was zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrades führt.

[0054] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemässen Drehkolbenmotors die Schritte des Einbringens eines Treibstoffes in die Arbeitskammern, Zünden des Treibstoffes und Ausbringen eines verbrannten Treibstoffes aus den Arbeitskammern.

[0055] Durch ein derartiges Betreiben des Drehkolbenmotors kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden.

[0056] Es versteht sich von selbst, dass das Einbringen des Treibstoffes in die Arbeitskammern durch die Einlassvorrichtung erfolgen kann, und dass das Ausbringen des verbrannten Treibstoffes aus den Arbeitskammern durch die Auslassvorrichtung erfolgen kann. Es versteht sich weiterhin von selbst, dass das Zünden des Treibstoffes eine Selbstzündung oder eine Fremdzündung sein kann, wobei eine Fremdzündung beispielsweise durch eine Zündvorrichtung erfolgen kann.

[0057] Der Schritt des Einbringens eines Treibstoffes in die Arbeitskammern kann ohne eine vorhergehende Verdichtung eines Mediums in den Arbeitskammern erfolgen, insbesondere ohne eine vorhergehende Verdichtung von Luft.

[0058] In einer besonderen Ausführungsform wird als Treibstoff ein kohlenstofffreier Treibstoff eingesetzt, insbesondere ein stöchiometrisches Wasserstoff-Sauerstoffgemisch.

[0059] Ein stöchiometrisches Wasserstoff-Sauerstoffgemisch ist insbesondere Knallgas. Dies hat den Vorteil, dass als Verbrennungsprodukt Wasser und/oder Wasserdampf entsteht ohne jegliche umweltbelastende Stoffe. Ausserdem hat ein stöchiometrisches Wasserstoff-Sauerstoffgemisch den Vorteil, dass es viel schneller verbrennt als klassische kohlenstoffhaltige Treibstoffe und/oder Gemische aus Wasserstoff mit Luft. So kann die Detonationsgeschwindigkeit von Knallgas Werte von über 2000 m/s erreichen. Dieser Wert ist um ein Vielfaches höher als die Verbrennungsgeschwindigkeiten der zuvor erwähnten klassischen Treibstoffe, die üblicherweise 20 m/s bis 35 m/s betragen. Der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor ist dazu ausgebildet, bei Verbrennungsgeschwindigkeiten von 100 m/s bis 500 m/s betrieben zu werden.

[0060] Im Gegensatz zu Hubkolbenmotoren kann in einem erfindungsgemässen Drehkolbenmotor die explosionsartige Verbrennung des stöchiometrischen Wasserstoff-Sauerstoffgemisch genutzt werden, da die Drehkolben (Ausbuchtungen der Drehkolbenwalze) permanent in Bewegung sind und die Explosion nicht, wie beim Hubkolbenmotor, bei oder nahe einem Kolbenstillstand erfolgt. Trotzdem ist es natürlich erforderlich, ein Volumen eines Wasserstoff-Sauerstoffgemisches, das zum Einbringen in eine Arbeitskammer bestimmt ist, derart zu bemessen, dass die durch die Explosion des Wasserstoff-Sauerstoffgemisches entstehenden Kräfte den Drehkolbenmotor nicht beschädigen, d. h., keine unzulässigen Kräfte auf den Drehkolbenmotor oder dessen Bestandteile ausüben.

[0061] Der Einsatz von Knallgas hat zudem den Vorteil, dass nach der Verbrennung und der damit eingehenden Temperaturerhöhung im Drehkolbenmotor eine Expansion der Verbrennungsprodukte durch die Volumenzunahme der Arbeitskammern, in denen sich die Verbrennungsprodukte befinden, erfolgt. Dies führt zu einer Abkühlung der Verbrennungsprodukte und ab einem bestimmten Punkt zu einer Kondensation des Wasserdampfs zu Wasser. Dies hat ein deutliches Absinken des Druckes in den Arbeitskammern zur Folge.

[0062] Es ist aber auch möglich, einen konventionellen kohlenstoffhaltigen Treibstoff einzusetzen, wie beispielsweise Benzin oder Diesel.

[0063] In einer besonderen Ausführungsform wird der steuerbare Verschluss derart gesteuert, dass ein Unterdruck in einer Arbeitskammer ein Drehmoment in Drehrichtung der Drehkolbenwalze bewirkt.

[0064] Dadurch kann der Wirkungsgrad des Drehkolbenmotors weiter gesteigert werden.

[0065] Ein Unterdruck kann beispielsweise dadurch entstehen, dass ein Verbrennungsprodukt, das in der Arbeitskammer ist, auskondensiert.

[0066] Insbesondere kann der steuerbare Verschluss derart gesteuert werden, dass er geschlossen ist, wenn in einer Arbeitskammer ein Unterdruck herrscht. Dadurch wird verhindert, dass ein Druckausgleich über die Auslassvorrichtung stattfindet. Der steuerbare Verschluss kann also insbesondere abhängig vom Druck in zumindest einer der Arbeitskammern gesteuert werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass der Druck ständig gemessen werden muss. Wenn beispielsweise der Druckverlauf in den Arbeitskammern prinzipiell bekannt ist und beispielsweise bei vorgegebenen Betriebsbedingungen des Drehkolbenmotors eine Funktion der Zeit oder des Drehwinkels der Drehkolbenwalze ist, kann der steuerbare Verschluss auch abhängig vom Drehwinkel der Drehkolbenwalze oder abhängig von der Zeit gesteuert werden.

[0067] Es ist aber auch möglich, auf eine derartige Steuerung zu verzichten, wenn kein Unterdruck in den Arbeitskammer herrscht.

[0068] In einer besonderen Ausführungsform wird der Treibstoff mit einem Druck in einem Bereich von 0.1 bis 1 MPa, bevorzugt von 0.15 bis 0.5 MPa, und besonders bevorzugt von 0.18 bis 0.3 MPa in eine Arbeitskammer eingebracht.

[0069] Mit solchen Druckbereichen lassen sich besonders vorteilhafte Verbrennungsbedingungen im Drehkolbenmotor erreichen.

[0070] Bevorzugt ist eine Betriebstemperatur des Drehkolbenmotors im Bereich zwischen 100°C und 300°C und besonders bevorzugt zwischen 150°C und 250°C.

[0071] In einer besonderen Ausführungsform liegt eine Drehzahl der Drehkolbenwalze in einem Bereich von 40 bis 2500 min<-1>, bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 1000 min<-1>, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 250 bis 500 min<-1>.

[0072] Mit solchen Drehzahlen lassen sich bei einer bevorzugten Grösse des Drehkolbenmotors besonders vorteilhafte Betriebsbedingungen im Drehkolbenmotor erreichen.

[0073] Es ist aber auch möglich, den erfindungsgemässen Drehkolbenmotor je nach seiner Grösse mit anderen Drehzahlen zu betreiben. Dabei kann eine optimale Drehzahl eines grösseren Drehkolbenmotors eher geringer ausfallen als oben angegeben, während eine optimale Drehzahl eines kleineren Drehkolbenmotors eher höher ausfallen kann als oben angegeben.

[0074] Aus der nachfolgenden Detailbeschreibung und der Gesamtheit der Patentansprüche ergeben sich weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Merkmalskombinationen der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0075] Die zur Erläuterung des Ausführungsbeispiels verwendeten Zeichnungen zeigen: <tb>Fig. 1<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 0°, <tb>Fig. 2<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 30°, <tb>Fig. 3<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 60°, <tb>Fig. 4<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 90°, <tb>Fig. 5<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 120°, <tb>Fig. 6<SEP>den Drehkolbenmotor bei einem Drehwinkel von 150°, <tb>Fig. 7<SEP>eine Detailansicht des Drehkolbenmotors, <tb>Fig. 8<SEP>eine Detailansicht einer ersten besonderen Ausführungsform der Auslassvorrichtung, <tb>Fig. 9<SEP>eine Detailansicht einer zweiten besonderen Ausführungsform der Auslassvorrichtung, und <tb>Fig. 10<SEP>einen horizontalen Längsschnitt des erfindungsgemässen Drehkolbenmotor.

[0076] Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

[0077] Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 0°. Dabei greifen die Ausbuchtungen 5 der Drehkolbenwalze 4 jeweils in eine Einbuchtung 3 der Sperrwalzen 2 ein. Bei einem Drehwinkel von 0° sind die Ausbuchtungen 5 der Drehkolbenwalze 4 waagerecht angeordnet. Die Drehrichtungen der Walzen werden durch die Drehrichtungspfeile 6 angedeutet. Der Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 wird in Drehrichtung der Drehkolbenwalze 4 gezählt.

[0078] Die Drehkolbenwalze 4 und die beiden Sperrwalzen 2 sind achsparallel angeordnet und stehen in Wirkverbindung miteinander. Ein Motorgehäuse 7 umschliesst die Drehkolbenwalze 4 und die beiden Sperrwalzen 2 derart, dass Arbeitskammern 8 ausgebildet werden. Ansonsten ist der Abstand zwischen den Sperrwalzen 2 und dem Motorgehäuse 7 möglichst gering. Bei der vorliegenden Stellung der Drehkolbenwalze 4, bei der die Ausbuchtungen 5 der Drehkolbenwalze 4 in die Einbuchtungen 3 der Sperrwalzen 2 eingreifen, werden genau zwei Arbeitskammern 8 ausgebildet. Die Arbeitskammern 8 erstrecken sich in Umfangsrichtung der Drehkolbenwalze 4 ringförmig zwischen den beiden Sperrwalzen, und in radialer Richtung erstrecken sich die Arbeitskammern 8 von der Drehkolbenwalze 4 bis zum Motorgehäuse 7.

[0079] Ausserdem zeigt Fig. 1 eine Zündvorrichtung 13 bestehend aus zwei gegenüberliegende Zündkerzen, die jeweils so im Motorgehäuse 7 angeordnet sind, dass sie in Wirkverbindung mit jeweils einer Arbeitskammer 8 stehen und benachbart zu einer Sperrwalze 2 sind. Zudem zeigt Fig. 1 eine Auslassvorrichtung 10 bestehend aus zwei gegenüberliegenden Auslasskanälen, die ebenfalls so im Motorgehäuses 7 angeordnet sind, dass sie in Wirkverbindung mit jeweils einer Arbeitskammer 8 stehen und benachbart zu einer Sperrwalze 2 sind, allerdings befinden sich die Auslassvorrichtung 10 und die Zündvorrichtung 13 jeweils an verschiedenen Enden der Arbeitskammern 8. Die Zündvorrichtung 13 kann beispielsweise an Positionen im Motorgehäuse 7 angeordnet sein, die Drehwinkeln der Drehkolbenwalze 4 in einem Bereich zwischen 30° und 50° entsprechen. Entsprechend kann die Auslassvorrichtung 10 an Positionen im Motorgehäuse angeordnet sein, die Drehwinkeln der Drehkolbenwalze 4 in einem Bereich zwischen 130° und 150° entsprechen.

[0080] Erfindungsgemäss weist die Auslassvorrichtung 10 ein oder mehrere steuerbare Verschlüsse 11 auf sowie eine optionale Kühlvorrichtung 15. Die steuerbaren Verschlüsse 11 können dabei benachbart zu den Arbeitskammer 8 angeordnet sein und/oder nahe einer Aussenseite des Motorgehäuses 7.

[0081] Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 30°. Gegenüber der Fig. 1 hat sich die Drehkolbenwalze 4 um 30° nach rechts weiter gedreht. Die Ausbuchtungen 5 befinden sich dabei kurz vor der Zündvorrichtung 13. Ausserdem verlassen die Ausbuchtungen 5 die Einbuchtungen 3, was zu einer Unterteilung der bisherigen zwei Arbeitskammern 8 in vier Arbeitskammern 8.1, 8.2 führt, und zwar in zwei erste Arbeitskammern 8.1 und zwei zweite Arbeitskammern 8.2. im vorliegenden Fall sind die ersten Arbeitskammern 8.1 kleiner als die zweiten Arbeitskammern 8.2. Zudem ist erkennbar, dass auf einer Stirnseite des Motorgehäuses 7 eine (hier nicht vollständig sichtbare) kreisförmige Einlassvorrichtung 9 freigegeben wird. Durch diese Einlassvorrichtung 9 (oder durch eine hier nicht gezeigte Einspritzvorrichtung) kann Treibstoff in die ersten Arbeitskammern 8.1 eingebracht werden.

[0082] Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 60°. Hier ist die nun vollständig freigegebene Einlassvorrichtung 9 gut zu erkennen. Die ersten Arbeitskammern 8.1 sind mit Treibstoff gefüllt, was mittels der grauen gepunkteten Fläche angedeutet ist. Durch die Zündvorrichtung 13 kann nun der Treibstoff entzündet werden. Der dadurch bedingte Druckanstieg in den ersten Arbeitskammern 8.1 führt zu einer Kraft unter anderem auf die Ausbuchtungen 5, so dass ein Drehmoment in Richtung der Drehrichtungspfeile 6 auf die Drehkolbenwalze 4 wirkt. Die steuerbaren Verschlüsse 11 können geöffnet sein, damit die Drehkolbenwalze 4 nicht gegen einen sich aufbauenden Druck in den zweiten Arbeitskammern 8.2 arbeiten muss. Falls in den zweiten Arbeitskammern 8.2 jedoch ein Unterdruck herrscht, können die steuerbaren Verschlüsse 11 geschlossen sein, wodurch eine zusätzliche Kraft auf die Ausbuchtungen 5 in Richtung der Drehrichtungspfeile 6 wirkt. Des Weiteren ist erkennbar, dass die Einlassvorrichtung 9 mitläuft, d. h. sich mit der Drehkolbenwalze 4 mitdreht.

[0083] Fig. 4 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 90°. Aufgrund des immer noch hohen Druckes in den ersten Arbeitskammern 8.1 wirkt weiterhin eine Kraft auf die Ausbuchtungen 5, so dass ein Drehmoment in Richtung der Drehrichtungspfeile 6 auf die Drehkolbenwalze 4 wirkt. Falls in den zweiten Arbeitskammern 8.2 ein Unterdruck herrscht, können die steuerbaren Verschlüsse 11 geschlossen sein, wodurch eine zusätzliche Kraft auf die Ausbuchtungen 5 in Richtung der Drehrichtungspfeile 6 wirkt.

[0084] Fig. 5 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 120°. Durch das Weiterdrehen der Drehkolbenwalze 4 gegenüber der Position in der vorhergehenden Fig. 4 hat sich der Druck in den ersten Arbeitskammern 8.1 weiter verringert. Die Ausbuchtungen 5 sind nun kurz davor, die Auslassvorrichtung 10 zu erreichen. Die zweiten Arbeitskammern 8.2 sind nun viel kleiner als die ersten Arbeitskammern 8.1.

[0085] Fig. 6 zeigt einen erfindungsgemässen Drehkolbenmotor 1 im Querschnitt bei einem Drehwinkel der Drehkolbenwalze 4 von 150°. Die Ausbuchtung 5 der Drehkolbenwalze 4 haben nun die Einbuchtungen 3 der Sperrwalzen 2 erreicht und beginnen, in diese einzugreifen. Der verbrannte Treibstoff kann aus den ersten Arbeitskammern 8.1 entweichen. Je nach Anordnung der Auslassvorrichtung 10 können bei der vorliegenden Stellung der Drehkolbenwalze 4 die ersten Arbeitskammern 8.1 mit den zweiten Arbeitskammern 8.2 in Fluidverbindung stehen.

[0086] Fig. 7 zeigt eine Detailansicht des Drehkolbenmotors 1 im Querschnitt. In der Mitte ist die Drehkolbenwalze 4 mit ihren Ausbuchtungen 5 sowie einer Drehkolbenwalzenwelle 4.1 und einem Drehkolbenwalzenlager 4.2 dargestellt. Beidseitig zu der Drehkolbenwalze 4 sind die Sperrwalzen 2 mit ihren Einbuchtungen 3 sowie der Sperrwalzenwelle 2.1 und dem Sperrwalzenlager 2.2 angeordnet. In der vorliegenden Fig. 7 sind sowohl eine Einlassvorrichtung 9 als konventioneller Einlass, als auch eine Einspritzvorrichtung 9.1 dargestellt, die mit den ersten Arbeitskammern 8.1 in Wirkverbindung stehen. Die Zündvorrichtung 13 ist hier beispielhaft als Laser-Zündvorrichtung ausgeführt. Direkt neben der Zündvorrichtung 10 ist eine weitere Einspritzvorrichtung 12 zum Einspritzen von Wasser und/oder Wasserdampf in die ersten Arbeitskammer 8.1 angeordnet. Dabei befinden sich die Einspritzvorrichtung 9.1, die weitere Einspritzvorrichtung 12 und die Zündvorrichtung 13 jeweils an Stellen im Motorgehäuse 7, die den Berührungspunkten der Drehkolbenwalze 4 mit den Sperrwalzen 2 benachbart sind. Wie bereits erwähnt, sind die Einlassvorrichtung 9, die Einspritzvorrichtung 9.1, die weitere Einspritzvorrichtung 12 und die Zündvorrichtung 13 jeweils symmetrisch bezüglich der Drehkolbenwalze 4 angeordnet. Auch die Ausbuchtungen 5 der Drehkolbenwalze 4 sind symmetrisch, d. h. gegenüberliegend angeordnet. Die Auslassvorrichtung 10 ist ebenfalls an Stellen im Motorgehäuse 7 angeordnet, die den Berührungspunkten der Drehkolbenwalze 4 mit den Sperrwalzen 2 benachbart sind, allerdings am anderen Ende der Arbeitskammern. Die Auslassvorrichtung 10 weist steuerbare Verschlüsse 11 auf, die entweder benachbart zu den Arbeitskammern 8 und/oder benachbart zu einer äusseren Oberfläche des Motorgehäuses 7 angeordnet sein können. Die Auslassvorrichtung 10 kann eine optionale Kühlvorrichtung 15 aufweisen. Das Motorgehäuse 7 kann aus Keramik ausgebildet sein. Des Weiteren kann das Motorgehäuse 7 eine Ummantelung 7.1 aufweisen, die beispielsweise aus Stahl sein kann. Ebenfalls ist in Fig. 7 eine optionale Motorgehäusekühlvorrichtung 7.2 dargestellt.

[0087] Fig. 8 zeigt eine Detailansicht einer ersten besonderen Ausführungsform der Auslassvorrichtung 10. Die Auslassvorrichtung 10 weist einen Auslasskanal 10.1 auf. Der Auslasskanal 10.1 beginnt an einer Stelle im Motorgehäuse 7, die im Wesentlichen dem Scheitelpunkt 17 entspricht, wo die zylindrische Aussparung für die Drehkolbenwalze 4 und die zylindrische Aussparung für die Sperrwalze 2 zusammentreffen. Im vorliegenden Fall ist dieser Scheitelpunkt 17 durch den Auslasskanal 10.1 abgeflacht, allerdings ist durch die angedeuteten Radien des äusseren Umfangs der Sperrwalze 2 und der Drehkolbenwalze 4 erkennbar, dass sich der virtuelle Scheitelpunkt auf der Ausbuchtung 5 befinden würde. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass bei bestimmten Stellungen der Drehkolbenwalze 4 die ersten Arbeitskammern 8.1 und die zweiten Arbeitskammern 8.2 in Fluidverbindung miteinander stehen. Die steuerbaren Verschlüsse 11 sind wieder benachbart zu den Arbeitskammern 8.1, 8.2 und/oder benachbart zu einer äusseren Oberfläche des Motorgehäuses 7 angeordnet.

[0088] Fig. 9 zeigt eine Detailansicht einer zweiten besonderen Ausführungsform der Auslassvorrichtung 10. Die Auslassvorrichtung 10 weist wiederum einen Auslasskanal 10.1 auf. Der Auslasskanal 10.1 beginnt aber nun, in Drehrichtung der Drehkolbenwalze 4 gesehen, hinter dem Scheitelpunkt 17. Oder mit anderen Worten, der Auslasskanal 10.1 beginnt vollständig in einem zylindrischen Teil der Oberfläche des Motorgehäuses 7, der die Sperrwalze 2 umschliesst. Die steuerbaren Verschlüsse 11 sind wieder benachbart zu den Arbeitskammern 8.1, 8.2 und/oder benachbart zu einer äusseren Oberfläche des Motorgehäuses 7 angeordnet.

[0089] Fig. 10 zeigt einen horizontalen Längsschnitt des Drehkolbenmotors 1. In der Mitte der Anordnung ist die Drehkolbenwalze 4 erkennbar, die eine Drehkolbenwalzenwelle 4.1 aufweist. Zu beiden Seiten der Drehkolbenwalze 4 sind Sperrwalzen 2 angeordnet, die je eine Sperrwalzenwelle 2.1 aufweisen. Die Sperrwalzenwelle 2.1 wird von Sperrwalzenlagern 2.2 gelagert. Die Drehkolbenwalzenwelle 4.1 wird entsprechend von Drehkolbenwalzenlagern 4.2 gelagert. Die beiden Sperrwalzenwellen 2.1 werden durch die Synchronisierungsvorrichtung 14 mit der Drehkolbenwalzenwelle 4.1 derart synchronisiert, dass die Sperrwalzen 2 und die Drehkolbenwalze 4 im Betrieb des Drehkolbenmotors 1 mit der gleichen Drehzahl drehen. Ebenfalls zu erkennen sind die verschiedenen Teile des Motorgehäuses 7, dargestellt jeweils durch unterschiedliche Schraffuren.

[0090] Es sind auch Ausführungsformen möglich mit mehr als zwei Sperrwalzen 2, und/oder mit mehr als zwei Einbuchtungen 3 in jeder Sperrwalze 2. Entsprechend ist es auch möglich, dass die Drehkolbenwalze 4 mehr als zwei Ausbuchtungen 5 aufweist. Folglich kann der Drehkolbenmotor 1 auch mehr als zwei oder vier Arbeitskammern 8, 8.1, 8.2 aufweisen. Entsprechend sind auch Ausführungsformen mit nur einer Sperrwalze 2 möglich, d. h. mit mindestens einer Sperrwalze 2. Unabhängig davon sind auch Ausführungsformen möglich mit nur einer Ausbuchtung 3 in jeder der mindestens einen Sperrwalze 2. Folglich sind auch Ausführungsformen möglich, die nur eine oder zwei Arbeitskammern 8 aufweisen.

[0091] Insbesondere ist also eine Ausführungsform des erfindungsgemässen Drehkolbenmotors 1 möglich, die mindestens eine Sperrwalze 2 mit mindestens einer Einbuchtung 3 umfasst. Diese Ausführungsform umfasst des Weiteren eine Drehkolbenwalze 4 mit mindestens einer Ausbuchtung 5 zum Eingriff in die mindestens eine Einbuchtung 3 der mindestens einen Sperrwalze 2. Zudem umfasst diese Ausführungsform ein Motorgehäuse 7 zur Aufnahme der mindestens einen Sperrwalze 2 und der Drehkolbenwalze 4. Darüber hinaus umfasst diese Ausführungsform mindestens eine Arbeitskammer 8, die zwischen der Drehkolbenwalze 4 und der mindestens einen Sperrwalze 2 und dem Motorgehäuse 7 ausgebildet ist. Ausserdem umfasst diese Ausführungsform eine Einlassvorrichtung 9 und eine Auslassvorrichtung 10, die einen steuerbaren Verschluss 11 aufweist.

[0092] Zusammenfassend ist festzustellen, dass mit der vorliegenden Erfindung ein zuverlässiger Drehkolbenmotor mit ausgezeichnetem Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt wird.

Claims (15)

1. Drehkolbenmotor (1), umfassend a) zwei Sperrwalzen (2) mit jeweils zwei Einbuchtungen (3), b) eine Drehkolbenwalze (4) mit zwei Ausbuchtungen (5) zum Eingriff in die Einbuchtungen (3), c) ein Motorgehäuse (7) zur Aufnahme der zwei Sperrwalzen (2) und der Drehkolbenwalze (4), d) Arbeitskammern (8, 8.1, 8.2), die zwischen der Drehkolbenwalze (4), den Sperrwalzen (2) und dem Motorgehäuse (7) ausgebildet sind, e) eine Einlassvorrichtung (9) und f) eine Auslassvorrichtung (10), dadurch gekennzeichnet, dass g) die Auslassvorrichtung (10) einen steuerbaren Verschluss (11) aufweist.

2. Drehkolbenmotor (1) gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei der steuerbare Verschluss (11) ein Ventil aufweist, insbesondere ein mechanisches, elektrisches, oder magnetisches Ventil.

3. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Verschluss (11) einen Schieber aufweist.

4. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Verschluss (11) benachbart zu einer Arbeitskammer (8, 8.1, 8.2) angeordnet ist.

5. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einlassvorrichtung (9) mindestens eine Einspritzvorrichtung (9.1) aufweist.

6. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine Zündvorrichtung (13), wobei die Zündvorrichtung (13) insbesondere eine Zündkerze oder eine Laser-Zündvorrichtung aufweist.

7. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Motorgehäuse (7) zumindest im Bereich der Arbeitskammern (8, 8.1, 8.2) aus Keramik ist.

8. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend einen Behälter zur Aufnahme eines Fluides.

9. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Auslassvorrichtung (10) eine Kühlvorrichtung (15) angeordnet ist.

10. Drehkolbenmotor (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, des Weiteren umfassend eine weitere Einspritzvorrichtung (16) zum Einspritzen von Wasser und/oder Wasserdampf in die Arbeitskammern (8.1).

11. Verfahren zum Betreiben eines Drehkolbenmotors (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: a) Einbringen eines Treibstoffes in die Arbeitskammern (8.1), b) Zünden des Treibstoffes, und c) Ausbringen eines verbrannten Treibstoffes aus den Arbeitskammern (8.2).

12. Verfahren gemäss dem vorhergehenden Anspruch, wobei als Treibstoff ein kohlenstofffreier Treibstoff eingesetzt wird, insbesondere ein stöchiometrisches Wasserstoff-Sauerstoffgemisch.

13. Verfahren gemäss einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der steuerbare Verschluss (11) derart gesteuert wird, dass ein Unterdruck in einer Arbeitskammer (8.2) ein Drehmoment in Drehrichtung der Drehkolbenwalze (2) bewirkt.

14. Verfahren gemäss einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei der Treibstoff mit einem Druck in einem Bereich von 0.1 bis 1 MPa, bevorzugt von 0.15 bis 0.5 MPa, und besonders bevorzugt von 0.18 bis 0.3 MPa in eine Arbeitskammer (8.1) eingebracht wird.

15. Verfahren gemäss einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Drehzahl des Drehkolbenwalze (2) in einem Bereich von 40 bis 2500 min<-1>liegt, bevorzugt in einem Bereich von 200 bis 1000 min<-1>, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 250 bis 500 min<-1>.