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Die
Erfindung betrifft einen 4-Takt-Rotationsmotor, der ohne Kurbelwelle,
Pleuelstange, Ventiltrieb, Getriebe usw. den erzeugten Gasdruck
direkt in Rotation der Abtriebswelle umwandelt. Grundform aller
seiner Bestandteile ist der Zylinder und außer dem Rotor ist nur ein weiteres
bewegliches Bauteil in ihm vorhanden, Pumpen für Treibstoff, Öl und Kühlwasser
ausgenommen.
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Es
ist bekannt, dass in Verbrennungsmotoren die Umwandlung gradliniger
Kolbenbewegungen in Rotation mittels Kurbelwelle, Pleuelstangen,
Ventile und den dazugehörigen
Lagern, einen hohen technischen Aufwand erfordert, mit einem ungünstigen Leistungsgewicht
verbunden ist, Vibrationen verursacht sowie einen Teil der eingesetzten
Energie für die
Bewegungsumkehr der Kolben selbst verbraucht. Als Alternative dazu
wurde der Wankelmotor entwickelt, das einzige Modell eines Rotationsmotors
das bisher industriell gefertigt wird. Seine Vorteile gegenüber dem
Hubkolbenmotor sind Vibrationsfreiheit (sehr gutes Laufverhalten),
kompakte Bauweise, kein Ventilantrieb, günstiger Drehkraftverlauf, geringes Gewicht.
Nachteilig sind jedoch die schwierige Dichtung zwischen Kolben und
Gehäuse,
die ungünstige Brennraumform
mit langen Brennwegen, der höherer Kraftstoff-
und Ölverbrauch,
die höheren
Herstellungskosten, mehr unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas
(dafür
weniger Stickoxide) sowie, dass aufgrund der Dichtungsprobleme mit
ihm kein Dieselmotor möglich
ist. (© 2002
Bibliographisches Institut & F. A.
Brockhaus AG) Insgesamt sind die Nachteile des Wankelmotors gegenüber denen
des Kolbenmotors größer als
seine Vorteile. Die in ihn gesetzten hohen Erwartungen werden beim
gegenwärtigen
Stand der Technik nicht erfüllt.
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Demgegenüber liegt
der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung ein Rotationsmotor
zugrunde, der mit höherer
Verdichtung arbeiten kann und nur aus wenigen und Komponenten einfacher Geometrie
besteht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst, indem
in einem beidseitig offenen Hohlzylinder (Rohr), der gleichzeitig
Teil des Motorgehäuses
und Stators ist, sich der Rotor befindet. Er besteht aus einem beidseitig
ebenfalls offenen Ringzylinder, dessen ringförmiger Hohlraum in der Mitte
durch eine zum Außenrand
hin gradlinig verjüngende,
fest mit dem inneren und äußeren Mantel
verbundene Rotorscheibe in zwei gegeneinander druckdichte Ringkammern,
die Verdichtungs- und die Expansionskammer, geteilt wird. Der Rotor
selber ist starr mit der Abtriebswelle des Motors verbunden, deren
Verlauf mit seiner Längsachse
identisch ist. Beide Ringkammern sind von außen durch je einen Ringzylinder
druckdicht verschlossen, die mit dem Rotorgehäuse fest verbunden und somit
Teil des Stators sind. Die zur Kammermitte gerichteten Stirnseiten
dieser Statorringzylinder sind schief abgeschnitten und liegen mit
ihren elliptischen Ringflächen
gegeneinander um 180° versetzt
von beiden Seiten mit einer Nut so an der Rotorringscheibe an, dass
in jeder Rotorkammer eine druckdichte Sperre vorhanden ist.
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Zusätzlich werden
die Verdichtungs- und Expansionskammer mittels eines parallel zur
Rotorlängsachse
durch die Rotorringscheibe verschiebbaren gemeinsamen Abdichtzylinders
in je zwei Segmente geteilt. Die Stirnseiten des Abdichtzylinders sind
ebenfalls um 180° versetzt
schief abgeschnitten und liegen so an den elliptischen Ringflächen der
beiden Statorringzylinder an, dass in jeder Rotorkammer eine weitere
druckdichte Absperrung vorhanden ist. Indem der Mantel des Abdichtzylinders
in je einem Nut des inneren sowie äußeren Rotormantels gleitbar
gelagert ist, ist jede Rotorkammer in zwei gegeneinander druckdichte
Segmente unterteilt.
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Da
der Abdichtzylinder bei jeder Rotorumdrehung mit seinen schief abgeschnittenen
Stirnseiten auf den parallel zueinander liegenden elliptischen Ringflächen beider
Statorzylinder gleitet, wird er zwangsweise von der Verdichterkammer
in die Expansionskammer und zurück
geschoben, wobei sich das Volumen vor und hinter ihm gegenüber der
bereits beschriebenen druckdichten Absperrung aus Rotorringscheibe
und Statorringzylinder jedes Kammerbereichs entgegengesetzt zwischen
Null und dem Maximum ändert.
Auf der Verdichtungsseite wird so während jeder Rotation hinter
dem Abdichtzylinder Luft über
den im Statorringzylinder vorhandenen Zuluftkanal in die Verdichterkammer
gesaugt und gleichzeitig die vor dem Abdichtzylinder im Kammerbereich
befindliche Luft verdichtet. Die komprimierte Luft wird durch ein
Schlitzventil, gebildet durch jeweils ein Fenster im äußeren Rotormantel
und Schlitz im Gehäusemantel
sowie über
den Druckluftkanal in die zur Expansionskammer gehörenden Vorkammer
gedrückt. Öffnet das
an der Vorkammer zur Expansionskammer führende Schlitzventil, wird
in die komprimierte Luft gleichzeitig Treibstoff injiziert und das
Gemisch entzündet.
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Das
expandierende Gas drückt
nun in der Expansionskammer in radialer Richtung auf den Mantel
des verschiebbaren Abdichtzylinders sowie die statische Sperre aus
Rotorringscheibe/Statorringzylinder und erzeugt damit über den
Abdichtzylinder den Rotationsimpuls. Gleichzeitig schiebt der Abdichtzylinder
verbranntes Gas des vorherigen Arbeitstaktes über den im Statorringzylinder
vorhandenen Abgaskanal aus der Expansionskammer.
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Im
Rotor laufen somit geringfügig
verschoben, während
einer Umdrehung, alle vier Arbeitstakte einer Verbrennungskraftmaschine
gleichzeitig ab.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausführung des
Viertakt – Rotationsmotors
steht nun ein Motortyp zur Verfügung,
der die Vorteile der hohen Verdichtung des konventionellen Kolbenmotors
mit denen des rotierend und ohne Ventiltrieb arbeitenden Wankelmotors
kombiniert, jedoch bedeutend einfacher als beide ausgelegt ist und
bei dem der Verbrennungsdruck direkt auf die Abtriebswelle wirkt.
Dabei besteht der neue Motortyp aus nur wenigen, einfachen Bauteilen
mit zylindrischer Grundform. Gegenüber dem 4-Takt Kolbenmotor,
bei dem ein Arbeitstakt 180° der
Wellenumdrehung ausmacht, nutzt der erfindungsgemäß gestaltete
Viertakt – Rotationsmotor
für jeden
Arbeitstakt eine volle Wellenumdrehung, wobei alle Takte, geringfügig versetzt,
gleichzeitig ablaufen.
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Rotationsmotor
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden.
In den zugehörigen
Zeichnungen zeigen:
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1:
den Viertakt-Rotationsmotors als Explosionszeichnung.
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2:
den Viertakt-Rotationsmotor im perspektivischen Teillängsschnitt.
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3:
das Schema des Viertakt Rotationsmotors im Querschnitt
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4:
das Schema des Viertakt Rotationsmotors im Längsschnitt
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5–10 das
Arbeitschema der Verdichter- und Verbrennungskammer während einer Rotordrehung,
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1 bis 4 erläutern Geometrie
und Arrangement einzelner Komponenten des erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Viertakt-Rotationsmotors. Es ist zu erkennen, dass alle seine Bauteile
runde Zylinder sind und die Rotordrehachse die gemeinsame Längsachse
mit dem Stator ist.
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In 1 wurde
Rotor 1, bestehend aus dem inneren Rotorzylinder 5 mit
Abtriebswelle 2 und Rotorringscheibe 7, der besseren Übersicht
halber vom äußeren Rotorzylinder 6 getrennt
dargestellt.
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Wie
dagegen in den 2 und 4 richtig gezeigt,
befindet sich der innere Rotorzylinder 5 im äußeren Rotorzylinder 6.
Beide sind durch die Rotorringscheibe 7 starr miteinander
verbunden, so dass zwei separate, gegeneinander druckdichte Ringkammern
gebildet werden. Zum Rotor gehört
ferner der Abdichtzylinder 11, der zur effektiveren Abdichtung
in den Nuten 13 der Rotorzylinder 5 und 6 gleitet
und parallel zur Rotorlängsachse
durch die Rotorringscheibe 7 zwischen der Verdichterkammer 22 und Expansionskammer 23 verschoben
wird.
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Sowohl
die Verdichterkammer 22, als auch die Expansionskammer 23 werden
durch je einen Statorringzylinder 8 druckdicht verschlossen.
Mit ihren schief abgeschnittene Stirnseiten liegen diese um 180° versetzt
beidseitig mit der Nute 10 an der Rotorringscheibe 7 so
an, dass eine druckdichte Sperre gebildet wird. Alle Flächen des
Abdichtzylinders 11 sowie alle ihn berührende Flächen sind derart ausgelegt
und vergütet,
dass die Kammern sowie Kammerbereiche untereinander gegen hohe Drücke abgedichtet
sind. Da die Fortführung
der Nute 13 unter dem Statorringzylinder sich in Abhängigkeit
vom Rotordrehwinkel in ihrer Länge ändert, wird
ihre an die Stirnfläche 12 des
Abdichtzylinders 11 anschließende Fortsetzung mittels einer
sich anpassende Dichtung verschlossen. Rotor 1 gleitet
passgenau im Rotorgehäuse 4 das
gleichzeitig den Stator bildet und an dem beidseitig die Statorstirnseiten 3 starr
befestigt sind. Die Statorstirnseiten 3, in deren Mitte
das Lager der Abtriebswelle 2 liegt, sind mit den Statorringzylindern 8 fest
verbunden.
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Bei
jeder Umdrehung des Rotors 1 gleitet der Abdichtzylinder 11,
mit seinen um 180° versetzt schief
abgeschnittenen Stirnseiten 12 auf den elliptischen Stirnflächen 9 der
Statorringzylinder 8 und wird dabei, parallel zur Rotorwelle 2,
in den Nuten 13 durch die Rotorringscheibe 7 von
der Verdichterkammer 22 in die Expansionskammer 23 und
zurück
verschoben. Demzufolge ändert
sich in beiden Ringkammern des Rotors 1 zyklisch das Volumen
vor bzw. hinter dem Abdichtzylinder 11 gegenüber der druckdichten
Sperre aus Rotorringscheibe 7/Stirnnute 10 im
Statorringzylinder 8 bei jeder Rotorumdrehung entgegengesetzt
vom Maximum zum Minimum. Das bewirkt, dass auf der Verdichterseite,
hinter dem Rotorkreiszylinder 11 über den Zuluftkanal 14 Luft
in die Ringkammer gesaugt wird. Gleichzeitig wird die vor ihm befindlichen
Luft komprimiert und beim Öffnen
des Schlitzventils, bestehend aus Fenster 15 und Schlitz 16 über den
Druckluftkanal 17 in die Vorkammer 18 gepresst. Öffnet das
Schlitzventil 19/20 der Expansionskammer 23,
wird Treibstoff in die komprimierte Luft der Vorkammer 18 injiziert
und entzündet.
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Das
entzündete
Gas expandiert im Raum zwischen Rotorringscheibe 7 und
Nute 10 sowie Abdichtzylinder 11 und bewirkt damit
den Drehimpuls des Rotors 1. Gleichzeitig wird das beim
vorherigen Arbeitsgang verbrannte Gas über den Abgaskanal 21 ausgeschoben.
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In
den 5–10 wird
schematisch das Zusammenwirken der Verdichterseite mit der Arbeitsseite
dargestellt. Der Figurenteil A erläutert die Stellung des Rotorkreiszylinders 11 beim
jeweiligen Abschnitt der Arbeitstakte. Figurenteil 22 betrifft
die Verdichterkammer, Figurenteil 23 die Expansionskammer.
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5 erläutert, wie
in der Verdichterkammer 22 zwischen Abdichtzylinder 11 und
Stirnnute 10 bereits verdichtete Luft durch das Ventilfenster 15 sowie über den
Ventilschlitz 16 in die Vorkammer 18 der Expansionskammer 23 gepresst
wird. Der Zugang zur Expanskammer 23 selber ist dabei noch
durch den äußeren Rotormantel 6 gesperrt.
Gleichzeitig dehnt sich in der Expansionskammer 23 hinter
dem Abdichtzylinder 11 das beim ablaufenden Arbeitstakt entzündete Gas
aus, während
parallel dazu verbranntes Gas des vorherigen Arbeitstaktes über den Abgaskanal 21 hinausgedrückt wird.
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In 6 hat
in der Verdichterkammer 22 Abdichtzylinder 11 die
druckdichte Sperre der Stirnnute 10 passiert und saugt
nun auf seiner Rückseite
Luft durch den Zuluftkanal 14 in die Verdichterkammer 22, gleichzeitig
wird die Luft vor Abdichtzylinder 11 komprimiert. Parallel
dazu expandiert in der Expansionskammer 23 hinter dem Abdichtzylinder 11 immer noch
das beim ablaufenden Arbeitstakt entzündete Gas, während das
verbrannte Gas des vorherigen Arbeitstaktes weiterhin über den
Abgaskanal 21 hinausgedrückt wird. Die Vorkammer 18 ist
gegenüber der
Expansionskammer immer noch geschlossen.
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In 7,
wird hinter dem Abdichtzylinder 11 weiterhin Luft durch
den Zuluftkanal 14 in die Verdichterkammer 22 gesaugt
und dabei die vor ihm befindliche Luft verdichtet, während in
der Expansionskammer 23 der Abdichtzylinder 11 den
Abgaskanal 20 passiert hat, so dass nun das Ausschieben
des zuletzt verbrannten Gases beginnt. Abdichtzylinder 11 passiert
die druckdichte Sperre 10, die Teilung der Expansionskammer 23 ist
somit aufgehoben.
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8 zeigt
die Fortsetzung des Ansaug- und Verdichtungsvorganges in der Verdichterkammer 22. Während in
der Expansionskammer 23 das Ventilfenster 19 im
Rotormantel 1 die Vorkammer 18 passiert, so dass
die darin gespeicherte komprimierte Luft in das Kammersegment zwischen
Rotorkreiszylinder 11 und druckdichte Sperre aus Stirnnute 10 und
Rotorringscheibe 7 strömt.
Gleichzeitig wird in die komprimierte Luft der Vorkammer 18 Treibstoff
injiziert und entzündet,
wodurch das im Raum zwischen dem Abdichtzylinder 11 und
der druckdichten Sperre Stirnnute 10/Rotorringscheibe 7 expandierende
Gas den Abdichtzylinder 11 in Rotationsrichtung drückt und
damit dem Rotor den erwünschten
Drehimpuls verleiht. Synchron dazu wird vor dem Abdichtzylinder 11 verbranntes
Gas des vorherigen Arbeitstaktes über den Abgaskanal 21 aus
der Expansionskammer 23 gedrückt.
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In 9 wird
hinter durch den Zuluftkanal 14 weiterhin in die Verdichterkammer 22 angesaugt
und die vor dem Abdichtzylinder 11 vorhandene Luft komprimiert.
Parallel dazu strömt
Restluft bzw. expandierendes Gas, aus der Vorkammer 18 über den
Ventilschlitz 20 und Ventilfenster 19 in die Expansionskammer 23 und
drückt
so den Abdichtzylinder 11 weiterhin in Rotationsrichtung.
Gleichzeitig wird das vor dem Abdichtzylinder 11 befindliche
verbrannte Gas des vorherigen Arbeitstaktes über den Abgaskanal 21 aus
der Expansionskammer gedrückt.
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Mit 10 wird
ein Rotorzyklus beendet. Auf der Verdichterseite wird hinter dem
Abdichtzylinder 11 immer noch Luft in die Verdichterkammer
gesaugt, doch vor ihm über
die Ventilöffnung 15 im
Rotormantel 6 die bereits komprimierte Luft über den
Ventilschlitz 16 der Rotorummantelung 4 zur Vorkammer 18 auf
der Expansionsseite gedrückt.
Da das Ventilfenster 19 geschlossen ist, wird die komprimierte
Luft in der Vorkammer 18 bis zur nächsten Passage des Ventilfensters 19 mit
dem Ventilschlitz 20, d.h. bis zum nächsten Arbeitstakt Verbrennung
gespeichert.
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Detailnamen
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- 1
- Rotor
- 2
- Abtriebwelle
- 3
- Stirnseiten
Stator
- 4
- Rotorgehäuse/Stator
- 5
- innerer
Rotorzylinder
- 6
- äußerer Rotorzylinder
- 7
- Rotorringscheibe
- 8
- Statorringzylinder
- 9
- elliptische
Flächen
Statorringzylinder
- 10
- Stirnnute
Statorringzylinder
- 11
- Abdichtzylinder
- 12
- Stirnflächen Abdichtzylinder
- 13
- Nute
in den Rotorzylindern
- 14
- Ansaugkanal
- 15
- Ventilfenster
Rotor Verdichtungskammer
- 16
- Ventilschlitz
Stator Verdichtungskammer
- 17
- Druckluftkanal
- 18
- Vorkammer
- 19
- Ventilfenster
Rotor Verbrennungskammer
- 20
- Ventilschlitz
Stator Verbrennungskammer
- 21
- Abgaskanal
- 22
- Verdichterkammer
- 23
- Expansionskammer