DE102009022466A1

DE102009022466A1 - Hochtemperatur Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE102009022466A1
Application number: DE200910022466
Authority: DE
Original assignee: Wullhorst Erhard 61130
Current assignee: Wullhorst Erhard 61130
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-07-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, deren acht kreisringsegmentförmige Kolben eine kreisförmige Bewegung zur Drehmomenterzeugung ausführen und dabei je vier Kolben mit zwei unterschiedlich geformten Kolbenträgern hochtemperaturfeste Einheiten bilden. Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Verbrennungskraftmaschine ohne Kühlsystem bei einfachem und kompaktem Aufbau, robustem und leisem Lauf und weitgehender Wartungsfreiheit – vorgesehen zum Einsatz in Hybridfahrzeugen zur Reichweitenvergrößerung. Erfindungsgemäß wird die Konstruktion und Funktion von bekannten Rotationskolbenmaschinen so geändert, dass die Kolben sternförmig um 90° versetzt angeordnet sind, der eine Kolbenträger die Kolben mit zwei Rohren von außen und innen umfasst. und der andere Kolbenträger eine kreisringförmige Scheibe ist, die sich in den beiden Rohren dreht und die Kolben auf der Oberseite trägt. Die Kolbenträger werden mit Hilfe von Gleitschienen, Gleitstücken und Excenterwellen auf die vier Planetenräder eines modifizierten, jedoch handelsüblichen Planetengetriebes gelegt, so dass die Kupplungsleistung auf dem Planetenträger liegt und das Sonnenrad mit einem Anlasser/Generator verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Rotationskolbenmaschinen teilen in einem geschlossenen Gehäuse umlaufende Kolben den gesamten Gehäuseraum in Teilräume sog. Kammern auf. Indem die halbe Anzahl der Kolben auf zwei, sich unterschiedlich drehenden Trägern montiert werden, bilden sich Kolbenpaare, bei denen die Kolben sich auf der einen Seite näher kommen und auf der anderen Seite voneinander entfernen, so dass z. Bsp. bei vier Kolben sich vier Kammer bilden, von denen je zwei ihre Volumina verkleinern und je zwei vergrößern, bei acht oder allgemein 2n Kolben sind dies acht oder 2n Kammern, von denen je vier oder n zur Raumverkleinerung also z. B. zum Verdichten eines Gases und je vier oder n zur Raumvergrößerung, also z. B. zur Expansion eines Gases dienen können.
Das Rotationskolbenprinzip ist bekannt und ist z. B. in den Offenlegungsschriften DE 3022871 A1 , DE 3843053 A1 , DE 4115289 C2 ausführlich dargestellt. Das Rotationskolbenprinzip findet hauptsächlich Anwendung bei Verdichtern oder Verbrennungsmotoren.
Stand der Technik: Die verschiedenen Erfindungen auf diesem Gebiet unterscheiden sich hauptsächlich in der Form der Kolben und deren Befestigung auf Kolbenträgern der verschiedensten Art sowie in der Wahl von Steuerelementen zur Erzeugung der notwendigen bzw. gewünschten Kolbenbewegungen.
Die DE 35 21 593 A1 schlägt im Querschnitt kreisrunde in einem toroidförmigen Gehäuse laufenden, diesem Toroid angepasste Kolbenformen vor und steuert die Kolbenbewegung über ein Planetengetriebe mit feststehendem Sonnenrad und Planetenrädern mit Excentern.
Die DE 30 22 871 A1 schlägt im Querschnitt rechteckige Kolben vor und lässt sie in einem kreisringförmigen Gehäuse umlaufen. Die Kolben sind Kreisringsegmenten ähnlich, jedoch besitzen sie eine viertelkreisähnliche zylindrische Aussparung an der der Drehrichtung abgewandter Kolbenseite. Auch diese Erfindung verwendet zur Steuerung der Kolbenbewegung ein vom Verbrennungsteil abgetrenntes Planetengetriebe mit feststehendem Sonnenrad und Planetenrädern mit Kurbelzapfen, die über Pleuel die Bewegung auf die als Welle und Hohlwelle ausgeführten Kolbenträger übertragen.
Die DE 27 57 016 A1 arbeitet mit schaufelartigen Zylinderkammern in die klappenartige Kolben mit einer Teilkreisbahn von ca. +/–30° ein- und ausfahren. Die vier sternförmig angeordneten, auf einer Nabe befestigten Kammern nehmen über die Rückwände die Verbrennungsdrücke auf und erzeugen so das Drehmoment, weil die Kolben über Gestänge mit Steuerungsscheiben verbunden sind, die sich am Maschinengestell abstützen. Mit einer Zahnradübersetzung lässt sich eine solche Kurvenbahn erzeugen, dass die Kolbenbewegung während der Expansionsphase um ein Drittel größer ist als die Bewegung bei der Kompressionsphase. Außerdem werden über torusartige Hydraulikkolben die Kräfte des expandierenden Kolbens direkt auf den Kolben übertragen, der sich im Verdichtungstakt befindet. Durch diese Anordnung lässt sich die vorteilhafte Dehnung des Arbeitstaktes erreichen.
Die CA 25 168 38 A1 verwendet leicht konisch zulaufende – also nicht rechteckige Kolbenquerschnitte bei klappenartigen Kreisringsegmentkolben, die in Hohlwellen fixiert sind. Die eine Hohlwelle trägt zwei Kolben und wird mit einer Vollwelle verbunden, die durch die gegenüberliegende Hohlwelle – ebenfalls mit zwei Kolben bestückt – hindurchgeht und über ein Zahnradpaar eines außerhalb des Verbrennungsteils liegenden Getriebes das Sonnenrad eines Planetenradsatzes antreibt. Die andere Hohlwelle überträgt die Bewegung über ein Zahnradpaar mit elliptischen Zahnrädern auf den Planetenträger des Planetenradsatzes. Über einen Schneckentrieb lässt sich das feststehende Hohlrad in der Drehlage verstellen, so dass die beiden Kolbenpaare relativ zueinander verstellbar sind. Auch hier kann eine vorteilhafte Dehnung des Arbeitstaktes erfolgen. Durch Verdrehen des Gehäuses relativ zur Drehung des Laufwerks lassen sich die Steuerzeiten verändern.
Die DE 41 15 289 C2 verwendet rechteckige Kolbenquerschnitte bei acht kreisringförmigen, auf dem Umfang scheibenförmiger Kolbenräder mit Kegelverzahnung montierten Kolben. Zusammen mit zwei Kegelzwischenrädern, die in einem als Abtrieb dienenden drehbaren Steuerungsträger gelagert sind, bildet diese Anordnung ein geschlossenes Kegelgetriebe. Durch Verdrehen der Zwischenräder kann die Relativbewegung der Kolbenpaare zueinander verändert werden. Dabei fahren mit den Zwischenrädern verbundenen Steuerstifte eine Steuerkurve ab, die in eine Steuertrommel eingearbeitet ist. Durch Verdrehen der Steuertrommel lassen sich die Steuerzeiten beeinflussen. Eine zweite Variante dieser Erfindung arbeitet mit einem Planetengetriebe.
Fazit: Es existieren prinzipiell zwei unterschiedliche Bauweisen.

1. Die Bauweise mit periodisch auf der Kreisbahn der Kolben wiederkehrenden Totpunkten oder Quasitotpunkten, bei denen die Bewegung der Kolben nicht gänzlich zum Stillstand kommt. Diese Art des Antriebs hat den Nachteil, dass die Nutzung der Kolben als Schieber für die Gassteuerung fest vorgegeben ist, also – wie dies z. B. bei modernen Hubkolbenmotoren mit variablen Ventilsteuerungen üblich ist – keine variable Schlitzsteuerung möglich scheint. Die Bauweisen sind allerdings wenig aufwändig, außer dem Planetengetriebe benötigt man nur wenige Koppelelemente wie Excenter, Pleuel oder in Gleitschienen laufende Gleitstücke. Nach dieser Art sind die DE 30 22 871 A1 und die DE 35 21 593 A1 gebaut.
2. Die andere Bauweise versucht mit teils sehr komplizierten, aufwändigen Maßnamen eine variable Veränderung von Verdichtungs- und Expansionsphasen zu bewirken und durch die relative Stellung von Laufwerk und Gehäuse zueinander auch eine Schlitzsteuerung variabel zu gestalten. Dies hat den Vorteil, dass der Verbrennungsvorgang im Ablauf und in der Wirkung effektiver, verbrauchsärmer und auch leiser wird, weil kühlere Abgase bei geringerem Druck ausgestoßen werden können. Jedoch wird dies mit schwierig herzustellenden Bauteilen oder Aggregaten wie Steuertrommeln mit Kurvenbahnen oder Ellipsengetrieben erkauft. Nachteilig ist hier, dass kein robuster und sicherer Betrieb möglich scheint oder die Bauweise schlicht zu teuer wird, wie dies bei der DE 41 15 289 C2 , der CA 25 168 38 A1 sowie der DE 27 57 016 A1 der Fall ist.

Allen Erfindungen gemeinsam ist die koaxiale Bauweise, bei der auf der gleichen Achse gegenüberliegende Wellen, Hohlwellen, Scheiben oder Räder als Kolbenträger fungieren und die Kolben auf deren Umfangsflächen befestigt sind. Die Kolben sind dabei doppelt so breit wie ein Kolbenträger, d. h. die Kolben sind mit der halben Breite auf dem Umfang eines Kolbenträgers montiert und überdecken mit ihrer anderen Hälfte den gegenüber liegenden Kolbenträger. Nachteilig ist hier, dass die halben Kreisumfangsflächen der Kolbenträger als bewegliche Teile des Verbrennungsraumes dienen. Es ergeben sich in allen Fällen am Umfang in der Mitte geteilte Verbrennungsräume – sieht man von dem Sonderfall der DE 27 57 016 A1 einmal ab, bei dem eine Abdichtung prinzipiell sehr schwierig erscheint. Da zwischen den Kolbenträgern ein zur Bewegung nötiges Spiel bestehen muss, bedeutet dies eine umlaufende, wenn auch kleine Rille, die kaum abzudichten ist. Außerdem sind die Kolbenträger gehäuseseitig abzudichten, so dass das gleiche Problem für zwei weitere Ecken oder Rillen am Umfang der Kolbenträger besteht. Da es nötig ist, quer zur Bewegungsrichtung der Kolbenträger an deren Umfangsflächen entsprechend der Kolbenanzahl 2n Kammern gegeneinander abzudichten, vervielfältigen sich die Abdichtungsprobleme, da durchlaufende Rillen immer eine Verbindung zwischen den Kammern schaffen. Dies führt zu Leistungsverlusten und hohem Kraftstoffverbrauch. Da die Kolben nur mit einer Hälfte ihrer Umfangsfläche auf den Kolbenträgern befestigt werden können, ergeben sich bei kleinen Durchmessern von Wellen oder Hohlwellen kleine Befestigungs- bzw. Verbindungsflächen. Bei größeren Durchmessern werden die Kolben aber auch größer und schwerer und vergrößern die Massenträgheitsmomente, weil die Belastungen bei den hier starken Beschleunigungen oder Verzögerungen mit den Durchmessern in quadratischer Weise an wachsen. Beide Aspekte bewirken bei entsprechend großem Kolbenquerschnitt oder großem Radius schnell Stabilitätsprobleme.
Nachteilig ist auch, dass die Kolbenträger bei vielen Erfindungen Teile des Getriebes sind, jedoch als Teile des Verbrennungsraumes auch sehr heiß werden und entsprechend aufwändig gekühlt werden müssen, damit das Getriebe keinen Schaden nimmt.
Aufhabe: Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer robusten, dem modernen Hubkolbenmotor in Standfestigkeit, Laufruhe, Wirtschaftlichkeit, Kompaktheit und Gewicht überlegenen Rotationskolbenmaschine. Die Erfindung ist von der o. g. Bauart 1. Das verwendete Planetengetriebe zur Erzeugung der Kolbenbewegung ist vom Verbrennungsteil örtlich getrennt und überdies wird das Getriebe durch eine mit dem Planetenträger verbundene Scheibe aus Wärme isolierendem Material vom Verbrennungsteil abgeschirmt.
Aufbau: Der gesamte kreisringförmige Arbeitsraum wird durch zwei Rohre und zwei Scheiben gebildet. Ein großes Rohr bildet umfänglich die äußere und ein kleines Rohr die innere Begrenzung des Raumes. Die beiden Rohre zusammen übernehmen die Funktion eines der beiden Kolbenträger, sie werden als Basis B₀ bezeichnet. Eine der beiden kreisringförmigen Scheiben verschließt den Raum von unten, die andere von oben. Die untere, dem Planetengetriebe zugeordnete Scheibe ist drehbar in den beiden Rohren von B₀ gelagert und dient als zweiter Kolbenträger, im Folgenden als Basis B₁ bezeichnet. Die obere Scheibe ist Teil des Gehäuses. Sie nimmt die Ein- und Auslassschlitze sowie deren Zuleitungen und die nötigen Steuereinrichtungen auf und wird Zylinderkopf genannt, weil sie zusammen mit einem Gehäusezylinder, der das äußere Rohr von B₀ umgibt das Gesamtgehäuse des Verbrennungsteiles bildet (s. 3). Auch von der Einbaulage her, sollte der Gehäusezylinder senkrecht stehen und der Zylinderkopf befindet sich damit oben. Der Gehäusezylinder ist unten und oben mit zwei Flanschen versehen und kann hier mit dem Planetengetriebe durch Einlegen einer Wärme isolierenden Zwischenlage oder Dichtung bzw. mit dem Zylinderkopf verschraubt werden.
Im Gehäusezylinder wird B₀ drehbar gelagert. 2n Kreisringsegmente dienen als Kolben, wobei n Kolben die beiden Rohre von B₀ verbinden und n Kolben auf der Oberseite von B₁ sitzen. Diese Bauformen können aus Leichtmetall als Drehteile oder auch als Gussteile bzw. aus faserverstärkter Keramik durch entsprechende Verfahren hergestellt werden. Damit ergeben sich im Ausführungsbeispiel acht Kolben und acht Kammern. An der Unterseite von B₁ ist eine radial liegende Gleitschiene in einteiliger oder zweiteiliger Form montiert (s. 4), desgleichen trägt B₀ an seinen zur Getriebeseite hin verlängerten Enden eine solche Schiene (s. 5). In den Gleitschienen von B₀ und B₁ laufen jeweils zwei Gleitstücke, die mittig eine Bohrung besitzen. Darin drehen sich die Zapfen von vier um 90° versetzten, kreisförmig mit dem Kreisradius R angeordneten Excenterwellen, die Teil der Planetenräder sind. Sie verlängern die 4 Wellen der Planetenräder des Planetengetriebes zum Verbrennungsteil hin.
Die Excenterzapfen mit der Exzentrizität e können als eigenständige Elemente auf die Excenterwellen mit geeigneten drehfesten Wellenverbindungen aufgesteckt werden. Durch Aufbringung von Wärme isolierenden Beschichtungen oder durch Verwendung solcher Materialien beim Bau der Teile kann der Wärmefluss vom Verbrennungsteil auf die Excenterwellen damit behindert bzw. unterbrochen werden. Der Planetenträger, der den Abtrieb des Systems darstellt bzw. mit der Abtriebswelle verbunden ist und in dem die Excenterwellen gelagert sind, wird mehrteilig ausgeführt. Der eine Teil fixiert die Lagerbolzen für die Aufnahme der Nadellager der Planetenräder. Der scheibenförmige zweite Teil ist Wärme isolierend beschichtet oder mit einer Auflage aus Wärme isolierendem Material versehen, nimmt die Lager der Excenterwellen auf und ist mit dem ersten Teil verschraubt. Das mitlaufende Sonnenrad ist mit einer elektrischen Maschine verbunden, die je nach Betriebssituation als Starter oder Generator dient. Das feststehende Hohlrad ist Teil des Getriebegehäuses.
Zwei gegenüber liegende Excenterzapfen bestimmen die Bewegungen jeweils eines Kolbenträgers und haben folglich gleiche Ausgangspositionen. Startet B₀ beispielsweise mit der Excenterzapfenstellung R – e und B₁ mit der Excenterzapfenstellung R + e, so sind gegenüberliegende Excenterzapfen jeweils um 180° versetzt und nehmen Extrempositionen ein (s. 1). Die Excenterzapfen von B₀ haben den kleinsten, die von B₁ den größten Radius bezüglich des Systemmittelpunktes. In dieser Startposition sind alle Kolben gleich weit voneinander entfernt. Bei 8 Kolben wie im Ausführungsbeispiel sind dies Abstände von 45° (360°/8). Durch den Verbrennungsdruck werden die Excenterzapfen von B₀ in Drehrichtung und die von B₁ entgegen der Drehrichtung des Systems verstellt. Drehen sich die Excenterzapfen um 90°, haben die Übertragungselemente ihre größte Winkelauslenkung im Hinblick auf die Startposition (vgl. 2). Im Ausführungsbeispiel werden dabei B₀ um den Winkel α = 13° in und B₁ um 13° entgegen der Drehrichtung des Systems ausgelenkt. Somit werden die Kolben um maximal β = 2α = 26° zueinander bzw. auseinander getrieben. Haben die Kolben wie im Ausführungsbeispiel einen Kreissegmentöffnungswinkel von höchstens 19°, so ergeben sich auf der einen Seite Kammergrößen von 52° (45° – 19° + 26°) und auf der anderen Seite von 0° (45° – 19° – 26°). Anders ausgedrückt dürfen die Kolben keinen größeren Öffnungswinkel als 45° – 26° = 19° besitzen, wenn sie symmetrisch zu den Excenterzapfen angeordnet sind.
Der Planetenträger und damit die Excenterwellen haben sich bei einer Übersetzung von 4:1 (Verhältnis von Hohlraddurchmesser zu Planetenraddurchmesser) um 22,5° (90°/4) weitergedreht, so dass die Kolben von B₀ sich um 35,5° (22,5° + 13°) abweichend von der Startposition und die von B₁ um 9,5° (22,5° – 13°) abweichend von der Startposition weiter bewegt haben. Die Bewegung der Kolben von B₀ wurde also beschleunigt, die von B₁ verzögert. Im weiteren Verlauf der Drehung werden B₀ abwechselnd verzögert und beschleunigt bzw. B₁ abwechselnd beschleunigt und verzögert. In der Position bei dichtester Annäherung bewegen sich die Kolben kurzzeitig mit gleicher Umfangsgeschwindigkeit.
Die Excenterzapfen durchlaufen im Ausführungsbeispiel bei ihrer Bewegung eine verkürzte Hypozykloide. Von der Form her ist dies eine an den Spitzen abgerundete Sternkurve. Aufgrund der Bewegungsverhältnisse von B₀ und B₁ und eines angenommenen Druckverlaufes (s. Diagramm 2) wurden über eine volle Umdrehung des Planetenträgers den einzelnen Kammern Druckverläufe zugewiesen. Danach konnten vom Drehwinkel φ abhängige, resultierende Kräfte für B₀ und B₁ ermittelt werden, die zu dem dargestellten Drehmomentverlauf (s. Diagramm 1) führten. Es ist ersichtlich, dass es nur kurzzeitig zu negativen Drehmomenten von < 50 Nm kommt, was die Verwendung von zusätzlichen Schwungmassen unnötig erscheinen lässt. Im Berechnungsbeispiel kann diese Bauform bei Hauptabmessungen von ca. 300 mm in der Länge (mit Getriebeteil) und 200 mm im Durchmesser durchschnittliche Drehmomente von 177 Nm bei der angenommen Volllastkurve (s. Diagramm 2) liefern.
Begründung des technischen Fortschritts: Der technische Fortschritt liegt bei der vorliegenden Erfindung in der sehr kompakten, leichten Bauweise, einer einfachen und robusten Mechanik, die aufgrund der symmetrischen Anordnung der Bauteile ausgeglichene Kraftaufnahmen und Kraftabgaben aufweisen. Das System kann überdies vollständig ausgewuchtet werden. Dies lässt von der Mechanik her einen völlig vibrationsfreien Lauf erwarten.
Auch die heute sehr ausgereiften Gemischbildungs- und Verbrennungsverfahren bei Hubkolbenmotoren können bei der vorliegenden Erfindung uneingeschränkt Anwendung finden. In die Stirnflächen der Kolben können an beliebigen Stellen in beliebiger Form Verdichtungs- bzw. Verbrennungsräume eingearbeitet werden. Im Ausführungsbeispiel wurde wegen auf die Gase wirkender Zentrifugalkräfte ein Kugelbrennraum (Halbkugel je Kolbenstirnseite) außerhalb des mittleren Radius R gewählt. Je nach Anforderung können aber auch konische, kraterförmige, ovale, rechteckige oder quadratische, solche mit Aufwölbungen, Spitzen oder Senken verwendet werden, um bestimmte Strömungseffekte bei der Gemischbildung zu erzeugen oder eine Gasschichtung zu erreichen. Die glatten Flächen der Stirnflächen können als sog. Quetschflächen dienen oder strukturierte kanalartige Vertiefungen aufweisen, um gewünschte Verwirbelungen zu erzeugen. Die Einlasswege in und auf dem Zylinderkopf können ohne weiteres als sogar lange Drallkanäle ausgeführt werden und die Ein- und Auslassschlitze beliebig so geformt werden, dass Vorauslass und Nacheinlass möglich und auch Nachladeeffekte erzeugbar sind.
Auch eine mechanisch einfach gebaute variable Schlitzsteuerung- der variablen Ventilsteuerung bei modernen Hubkolbenmotoren vergleichbar- ist Teil der Erfindung. Hierzu werden die Schlitzöffnungen mit im Kreis laufenden Stegen der Höhe h versehen, die kleiner als die Durchlasshöhe H im Zylinderkopf ist, so dass die Dichtringe der Kolben die Schlitze problemlos überfahren können. In den Rillen zwischen den Stegen laufen Zähne mit der gleichen Höhe h, die mit einem kreisringförmigen Drehschieber oder mit einem Vertikalschieber verbunden sind. Die Schieber sind in einen Schacht im Zylinderkopf eingelassen, überdecken teilweise die Schlitze und können über Gestänge, hydraulische oder elektrische Einrichtungen verschoben werden, so dass damit Öffnungszeitpunkte und Öffnungsquerschnitte der Schlitze veränderbar sind (s. 9 und 11).
Auch die Entwicklung hin zu einem Hochtemperaturbetrieb, bei dem der Motor ohne oder mit geringer Wärmeabfuhr und damit ohne zusätzliches Kühlsystem auskommt, ist mit dieser Erfindung möglich und begründet im Besonderen den technischen Fortschritt. Der Arbeitsraum ist kreisförmig und kann an den Mantelflächen der Rohre des Kolbenträgers B₀ durch Beschichtung mit geeigneten Materialien warmfest gepanzert werden, bzw. wegen des vibrationsfreien Laufs aus vollkeramischen Werkstoffen hergestellt werden. Da während einer Umdrehung jedes Kolbenpaar zwei Mal ein Arbeitsspiel im Viertaktverfahren durchläuft, und damit auch zwei Ansaugvorgänge erfolgen, werden die Kolben an den Stirnseiten durch einströmende Frischgase innen gut gekühlt. Auch große Areale von B₁ unterliegen dieser Innenkühlung, so dass hier keine übermäßige Erhitzung zu erwarten ist. Auch die Rohrmantelflächen laufen mit um, so dass auch sie der Innenkühlung unterliegen. Weil im Bereich des äußeren Rohres von B₀ aber die höchsten Temperaturen zu erwarten sind, kann es nötig werden, Wärme nach außen über den Gehäusezylinder abzuführen. Das Außenrohr von B₀ kann dazu im Bereich des Arbeitsraumes doppelwandig ausgeführt und der entstehende Ringraum mit einem Wärme aufnehmenden und verteilenden Medium wie Natrium gefüllt werden. An der zum Gehäusezylinder hin gerichteten Rückwand können ventilatorartig geformte Kühlrippen zur Flächenvergrößerung angebracht werden. Der Gehäusezylinder wird im Durchmesser vergrößert und entsprechend so gestaltet, dass er über Durchbrüche bzw. Öffnungen bei der Bewegung von B₀ eine Luftströmung zur Abfuhr der Wärme an die Umgebung ermöglicht. Damit ist ohne zusätzlichen Geräteaufwand eine systemimmanente Luftkühlung Teil der Erfindung (s. 8).
Problematisch ist die Erhitzung der Verbrennungsbereiche des Zylinderkopfes, da hier keine Innenkühlung erfolgt. Da sich der Zylinderkopf nicht bewegt und keinen mechanischen Erschütterungen ausgesetzt ist, sollte er aus hitzefesten vollkeramischen Werkstoffen hergestellt werden können. Reicht dies nicht aus, können auch hier in den gefährdeten Bereichen Ringräume mit einer Natriumfüllung eingebracht werden. Über große Kühlrippen auf dem Zylinderkopf kann Wärme dann soweit abgeführt werden, dass auch hier kein zusätzliches Kühlsystem notwendig wird.
Da die Entwicklung im Fahrzeugbau wahrscheinlich zu batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen führen wird und ein Verbrennungsmotor nur für einen Generatorbetrieb zum Laden der Batterien und zur Reichweitenvergrößerung des Fahrzeugs eingebaut werden muss, werden an solche Verbrennungsmotoren völlig andere Anforderungen als an die heutigen Hubkolben-Verbrennungsmotoren gestellt. Sie müssen

1. sehr leicht,
2. sehr verbrauchsarm,
3. sehr preiswert sein und
4. sehr kompakt sein, d. h. sie müssen ohne nennenswerte Zusatzaggregate

Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen. Außer den Teilen für ein Schmiersystem, ein Gemischbildungs- und ein Zündsystem werden keine zusätzlichen Bauteile wie Lüfter, Kühler, Gebläse etc. benötigt. Man kann wegen des geringen Platzbedarfes zwei bis vier kleine Einheiten problemlos zusammenschalten und auf einen gemeinsamen Abtrieb wirken lassen. Bei geeignetem Zündabstand können sehr gleichmäßige Drehmomentverläufe erzeugt werden, einzelne Einheiten lassen sich zu- oder abschalten – vergleichbar einer Zylinderabschaltung bei Hubkolbenmotoren- und damit können auch Drehzahlbereiche gewählt werden, die am verbrauchsgünstigsten sind. Die Nachfrage nach Leistung muss nicht über die Drehzahl sondern kann über das Zuschalten einer Einheit erfolgen. Im Notfall, z. B. bei Überhitzungsgefahr, kann die betreffende Einheit einfach abgeschaltet werden oder sie läuft ohne Verbrennungsvorgänge zeitweilig zu Kühlungszwecken leer mit.
Die Erfindung ermöglicht außerdem die Entwicklung eines über die Lebensdauer des Motors ohne Wartungsaufwand zu betreibenden Zündsystems. Bei modernen Hubkolbenmotoren sind lediglich noch die Zündkerzen nach Betriebsintervallen von 50 000 km bis 100 000 km auszuwechseln. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ohne solche Zündkerzen auszukommen. Dazu werden die Elektroden direkt in die unteren Ränder der Brennräume der Kolben eingegossen oder eingesetzt (s. 12), denn hier ist der Abstand der Elektroden bei Annäherung der Kolben am geringsten. Die Minuselektroden können direkt im elektrisch leitenden Grundmaterial des Kolbenträgers sitzen. Der entsprechende Kolbenträger wird z. B. über einen Schleifkontakt auf Masse gelegt und damit sind acht Masseelektroden vorhanden. Der andere Kolbenträger nimmt die mit der Hochspannung zu verbindenden 8 Pluselektroden auf, die zusammen mit einer Isolierung in das Kolbengrundmaterial eingesetzt werden können. Über eine isolierte Leitungsverbindung mit Austritt an der Oberseite der Kolben und einem im Zylinderkopf sitzenden Gegenpol kann dann die Hochspannung berührungslos über Gegenpol und Pol im Kolben als Funkenstrecke übertragen werden, wie dies in den Verteilerdeckeln bei rotierender Zündspannungsverteilung üblich ist. Die Umgebung, d. h. die Zylinderkopfoberfläche und die Kolbenoberseiten müssen hierzu elektrisch isolierende Eigenschaften aufweisen – ähnlich dem aus Isolationsmaterial bestehenden Verteilerdeckel. Da es jeweils 8 Elektrodenpaare gibt, die lediglich zwei Mal pro Umlauf beansprucht werden, kann bei sehr verschleißfestem und hitzebeständigem Material wie Wolfram oder Platin mit hohen Standzeiten gerechnet werden. Überdies werden zwei Zündkerzenbohrungen im Zylinderkopf eingespart und eine Störung der Abdichtung bei Überfahren der Kolbendichtleisten in diesem Bereich der Zylinderkopffläche vermieden.
Das System ist dahingehend ausbaufähig, dass die dem Zylinderkopf zugewandten Flächen der Kolben und damit die Kolbenquerschnitte beliebig verändert werden können. Dazu muss dann auch der Zylinderkopf anders gestaltet werden. Z. B. kann der Zylinderkopf konisch oder halbrund geformt sein. Damit ergeben sich im ersten Fall trapezartige Kolbenquerschnittsflächen mit konischen Kolbenoberflächen und im zweiten Fall ist dem ehemalige Rechteckquerschnitt des Kolbens ein Kreissegment aufgesetzt (s. 13). Dies führt zu kugelschalenartigen Kolbenoberflächen. Möglich erscheint auch eine Struktur in S-Form mit unterschiedlichen Ausformungen am Außen- wie am Innenrohr des Kolbenträgers B₀. Damit können bei gleich großen Räumen die Massenträgheitsmomente des Laufwerks verkleinert werden oder es können schlicht die Kammern vergrößert werden, ohne am Laufwerk größere Veränderungen vornehmen zu müssen.
Konstruktionsdetails:
Die Lagerung der Kolbenträger, wie auch die zur Montage notwendige Teilung des Kolbenträgers B₀ in Gleitschienenträger und Verbrennungsteil mit Kolben, können unterschiedlich ausgeführt werden. So kann beispielsweise das über die Kolben hinaus verlängerte Innenrohr von B₀ in einer ringförmigen Nut der Scheibe von B₁ enden. B₁ wird wiederum axial und radial auf einem konischen Flansch eines Zugbolzens gelagert, der durch das Innenrohr hindurchfährt und im Zylinderkopf zur Aufnahme der Zugkräfte fixiert ist. Damit ergibt sich die Möglichkeit, die Gleitschiene von B₁ aus dem Vollmaterial herauszuarbeiten (s. 4b), weil das Innenrohr von B₀ hier nicht mehr im Wege ist. Die Gleitstücke haben dann nach innen mehr Platz und es können die Excenterzapfendurchmesser und/oder die Gleitstücke mit ihrer Bohrung vergrößert werden. Ein über das Ende des Außenrohres von B₀ geschobenes topfförmiges Drehteil dient als Träger der Gleitschiene. B₀ sitzt mit seinem Außenrohr in einer Ausdrehung dieses Gleitschienenträgers und umgreift mit zwei gegenüber liegenden Aussparungen im Außenrohr die Außenkonturen der Gleitschiene und ist so drehfest mit der Gleitschiene verbunden. Am oberen Ende dieses Teiles sitzt nach innen gerichtet der Hauptlagerflansch zur Aufnahme der Axialkräfte, die über B₁ eingeleitet werden. (s. 5b). Der Gleitschienenträger leitet die Axialkräfte über ein Axialnadellager in einen Lagersitz, der mit dem Gehäusezylinder verbunden ist. Der Verbrennungsteil von B₀ trägt innen am unteren und oberen Ende Lagersitze für Nadellager zur radialen Lagerung von B₀ auf dem Zentrier- und Zugbolzen, der mit einem Pilotlager in der Abtriebswelle zentriert wird (s. 8).
Bezugszeichenliste

1: Gehäusezylinder; 1.1 Durchbruch für Luftzufuhr und 1.2 Axiallagersitz
2: Kolbenträger B₀; 2.1 Gleitschiene mit 2.2 Gleitflächen; 2.3 Axiallagersitz; 2.4 Ringraum; 2.5 Kühlrippen; 2.6 Aussparungen im Außenrohr
3: Zylinderkopf; 3.1 Durchbruch für Luftabfuhr und 3.2 Flansch
4: Kolbenträger B₁; 4.1 Gleitschiene mit 4.2 Gleitflächen
5: Gleitschienenträger für B₀; 5.1 Axiallagersitz; 5.2 Ausdrehung für Außenrohr; 5.3 Außenkanten Gleitschiene
6: Gleitstück
7: Excenterwelle
8: Zylinderkopfdichtung
9: Gehäuseflanschdichtung
10: Getriebegehäuse mit Hohlrad
11: Planetenträger mit Lagerbolzen für die Planetenräder
12: Sonnenrad
13: Planetenrad
14: Excenterzapfenstücke für B₀ und 14.1 für B₁
15: Excenterzapfen
16: Elektrische Maschine/Generator bzw. Starter
17: Getriebelagerdeckel
18: Keilwellenprofil Antriebswelle
19: Keilwellenprofil Sonnenradwelle für Teil 16
20: Lager- und Dammscheibe mit Planetenträger verschraubt
21: Nadellager
22: Zug- und Zentrierbolzen
23: Vertikalschieber mit Zähnen; 23a Drehschieber mit Zähnen und
23.b: Bolzen
24: Stege
25: Auslassschlitz
26: Einlassschlitz
27: Radialnadellager für B₀
28: Axialnadellager für B₀
29: Federelemente für Dichtleisten
30: Eckdichtleiste für B₁ am Innenrohr von B₀; 30.1 V-Eckdichtleiste
31: Eckdichtleiste für B₁ am Außenrohr von B₀
32: Dichtringe für B₁ mit Aussparungen für die kurzen Schenkel der Eckdichtleisten; 32.1 Dichtring für V-Eckleiste
33: Dichtleisten für B₀
34: Aussparungen in den Kolben zur Aufnahme der Dichtleisten
35: Zündelektroden

1: Die Darstellung zeigt die Ausgangsposition mit den Extremstellungen der Excenterzapfen. Die vier um 90° versetzten Excenterwellen bewegen sich auf einer Kreisbahn mit dem Radius R in der Weise, dass die Kolbenträger B₀ und B₁ vom Verbrennungsdruck auf die Kolben ausgelenkt werden. Über die Gleitschienen und Gleitstücke wird die Bewegung au die Excenterzapfen übertragen, die als kleine Kreise dargestellt sind. Die Excenterwellen drehen sich dadurch und werden über die Abrollbewegung der mit ihnen verbundenen Planetenräder am feststehenden Hohlrad in eine Kreisbewegung gezwungen.
Alle Kolben mit ungeraden Zahlen sind dem Kolbenträger B₀ und alle Kolben mit geraden Zahlen B₁ zugeordnet. Jeweils zwei gegenüberliegende Excenterzapfen werden von einem Kolbenträger angetrieben. Die Zapfen von B₀ haben in der Ausgangsposition die kleinste Entfernung R_min = R – e, die von B₁ die größte Entfernung R_max = R + e vom Kreismittelpunkt. Die Exzentrizität e ist dabei der wirksame Hebelarm bei der Drehbewegung der Excenterwellen.
2: Drehen sich die Excenterzapfen um 90°, so werden die Kolben der Kolbenträger um den Winkel α maximal ausgelenkt. Da sich die Excenterwellen gleichsinnig drehen, werden die Kolben von B₀ nach links und die von B₁ nach rechts um den Winkel α ausgelenkt. Die jeweiligen Kolbenpaare nähern sich oder entfernen sich also um den Winkel β = 2α. Im Ausführungsbeispiel sind die Winkel α = 13° und β = 26°. Der zwischen den Kolben bestehende Restraum wird durch die Kolben entweder voll oder zum Teil ausgefüllt. Im Beispiel füllen die Kolben mit einem Öffnungswinkel von 19° hälftig den Restraum von 19°(45° – 26°) voll aus. Der Punkt dichtester Annäherung z. B. zwischen K₁ und K₂ liegt folglich in der Mitte bei 9,5° und wird in Analogie zu den Hubkolbenmotoren Oberer Totpunkt OT genannt. Die beiden Punkte, bei denen die Kolben größte Entfernung haben, heißen entsprechend Unterer Totpunkt UT. Infolge der Übersetzungsverhältnisse dreht sich das gesamte System um 22,5° weiter, wenn die Excenterwelle sich um 90° dreht. Somit wird der OT-Punkt in die Senkrechtstellung gedreht. (Zur Darstellung der Totpunkte und Kolbenstellungen s. auch 8.)
Diagramm 1: Die Darstellung zeigt den Drehmomentverlauf während einer Umdrehung bei Volllast. Neben Drehmomentspitzen bis annähernd 500 Nm sind negative Drehmomente bei insgesamt 10 Zyklen zu erkennen. In einem solchen Zyklus kann während eines Drehwinkels von ca. 10° kein Drehmoment gewonnen werden, sondern es muss von außen Arbeit hineingesteckt werden. Deshalb das negative Vorzeichen bei annähernd –50 Nm. Der Durchschnitt aller Werte liegt bei 177,3 Nm.
Diagramm 2: Die Darstellung zeigt den angenommen Druckverlauf p in bar über dem Kammeröffnungswinkel Δφ = φ₁ – φ₀, wobei φ₁ und φ₀ die Winkelstellungen der Kolbenträger B₁ und B₀ sind. Die Kammeröffnungswinkel liegen im Bereich von 0° bis 52° im ausgeführten Beispiel und sind ein Maß für die Kammervolumina V.
3: Der Aufbau des Motors ist hier im Längsschnitt komplett, aber vereinfacht dargestellt. Im oberen Teil bis zur Dichtung (9) befindet sich der Verbrennungsteil, im unteren Abschnitt der Getriebeteil mit elektrischer Maschine (16), die vom Sonnenrad (12) des einfachen Planetenradsatzes angetrieben wird (Keilwellenverbindung 19). Mit dem Sonnenrad kämmen 4 um jeweils 90° versetzte Planetenräder, die in Lagerzapfen des Planetenträgers (11) mit Nadellagern (21) gelagert sind. Die Planetenräder wälzen am feststehenden Hohlrad (10) ab, das gleichzeitig Getriebegehäuse ist. Die Planetenräder sind zu Wellen (7) verlängert, an deren oberen Enden sich aufsteckbare, drehfeste Excenterzapfenteile (14) mit den Excenterzapfen (15) befinden. Die Excenterzapfen nehmen die Gleitstücke (6) über deren Bohrung auf. Diese bewegen sich in den Gleitschienen (5) des jeweiligen Kolbenträgers. Gelagert sind die Excenterwellen im Planetenträger, der wiederum im Getriebegehäuse mehrfach gelagert ist. Mit dem Planetenträger verschraubt ist eine Wärmedämmscheibe (20), die den Verbrennungsteil vom Getriebeteil abschottet. In der Darstellung nimmt Teil (20) auch sämtliche Axialkräfte auf und führt sie über zwei Axiallager außen am Gehäusezylinder (1) sowie innen am Zug- und Zentrierbolzen (22) auf die Gehäuseteile ab. Der eigentliche Verbrennungsteil mit den Arbeitsräumen wird durch den Kolbenträger B₀/(2) gebildet. Von unten schließt die Scheibe (4) des Kolbenträgers B₁ und von oben der Zylinderkopf (3) die Arbeitsräume. Im Zylinderkopf befinden sich die Schlitze für Ein- und Auslass der Verbrennungsgase. Der Zylinderkopf ist mit der Dichtung (8) mit dem Gehäusezylinder verschraubt.
4a: Dargestellt sind zweiteilige Gleitschienen in 4a und eine einteilige Gleitschiene in 4b des Kolbenträgers B₁/(4). Wenn sich die Excenterzapfen in der gleichen Ebene bewegen, muss dafür gesorgt werden, dass mindestens über den Winkel β = 26° Platz vorhanden ist, damit sich die Bewegungen der beiden Kolbenträger nicht gegenseitig stören. Folglich steht zur Gestaltung der Gleitschienenstruktur (4.1) ein Winkel von 64° zur Verfügung, der hier voll ausgenutzt wird. Zur Verdeutlichung sind die Gleitstücke (6) mit der Breite b in die Gleitschienen eingesetzt. Über die Gleitflächen (4.2) werden die Kräfte übertragen. Deutlich zu sehen ist die Materialschwächung nach innen hin (vgl. Pfeil in 6).
4b: Befinden sich die Gleitschienen in verschiedenen Ebenen, kann eine massivere Struktur wie in der Zeichnung gewählt werden oder die Gleitschiene kann aus dem Vollmaterial der Scheibe heraus gearbeitet werden.
5a: Analog zur 2a ist hier der Kolbenträger B₀/(2) mit den Gleitschienen (2.1) und den Gleitflächen (2.2) dargestellt. Das zur 4 Gesagte kann analog angewendet werden. Die Einbaulage ist jedoch um 90° verdreht.
5b: Die Darstellung zeigt eine Variante der Gleitschienenkonstruktion. Das topfförmige Gebilde hat einen erhöhten Außenrand (5) mit einem Innendurchmesser, der dem Außendurchmesser von B₀ entspricht und B₀ kann in die dahinter liegende Ausdrehung (5.2) geschoben werden, wenn das Außenrohr eine entsprechend breite wie hohe Aussparung besitzt, die passgerecht über die Außenkanten der Gleitschiene (5.3) geschoben werden kann.
6: Mit Blick zum Getriebe hin zeigt die Darstellung als Querschnitt B-B den Aufbau und das Zusammenwirken von Gleitschienen, Gleitstücken, Excenterwellen 14 für B₀ bzw. (14.1) für B₁ mit Kennzeichnung der Drehrichtung. Aus Montagegründen muss B₀ mehrteilig ausgeführt werden. Die Gleitschiene muss abtrennbar sein, gekennzeichnet durch die Strichlinien. Augrund der Materialschwächung (Pfeil) muss die Breite b der Gleitschiene geringer gewählt werden.
7: Die Darstellung zeigt den Querschnitt A-A durch die Kolben und Arbeitsräume mit Blick zum Zylinderkopf (3). In den Gehäusezylinder (1) ist der Kolbenträger B₀/(2) eingesetzt. Innenrohr und Außenrohr sind entsprechend der Schraffur durch 4 Kolben verbunden. In B₀ laufen Scheibe und Kolben des Kolbenträgers B₁/(4). Zu erkennen sind halbkugelförmige Verdichtungs- bzw. Verbrennungsräume in den Stirnseiten der Kolben.
Zu sehen sind auch jeweils 2 Auslassschlitze (25) und 2 Einlassschlitze (26). Die Bewegung der Kolben ist mit Blick zur Kraft abgebenden Seite rechtsdrehend. Folglich ist der Drehrichtungspfeil linksdrehend wie hier bei umgekehrter Blickrichtung. Die Darstellung zeigt nur den Aufbau, nicht jedoch eine Prozessphase.
8: In der Zeichnung sind die beschriebenen Konstruktionsvarianten der Erfindung zu finden. Teil (2) ist mit einem mit Natrium gefüllten Ringraum (2.1) und mit propellerartig gekrümmten Kühlrippen (2.2) versehen. Der Gehäusezylinder (1) ist mit Durchbrüchen (1.1) für die kühlende Kaltluftversorgung versehen. Die erwärmte Kühlluft wird über Durchbrüche (3.1) im Zylinderkopf (3) abgeführt. Der Axiallagersitz (1.2) des Gehäusezylinders nimmt die vom System eingeleiteten Axialkräfte auf. Das Nadellager (28) lagert B₀ über den Gleitschienenträger (5) axial im Gehäusezylinder. Ein Gleitlager (2.3) im Gleitschienenträger (5) nimmt die Axialkräfte der Kolbenträgerscheibe B₁ auf. Desgleichen trägt der Zug- und Zentrierbolzen (22) am unteren Ende von B₁ eine Scheibe zur Aufnahme von Axialkräften (Kegelrollenlager). Über eine Mutter über dem Zylinderkopf kann die Axiallage des Zug- und Zentrierbolzens und damit des Lagersitzes verändert und das Lagerspiel eingestellt werden. Über die Nadellager (27) ist B₀ radial gelagert. Das Kegelrollenlager dient als Radiallager des Kolbenträgers B₁, der sich passgenau in B₀ dreht.
Einlasskanäle (26) und Auslasskanäle (25) sind mit Vertikalschiebern (23) ausgestattet, deren Zähne sich in die Lücken zwischen den Stegen (24) schieben lassen und so einen Teil des Öffnungsquerschnittes verschließen (vgl. 7a–7c).
9: Die Zeichnung zeigt den in Höhe der Schlitze geschnittenen Zylinderkopf (3), wobei die Einlassschlitze (26) und Auslassschlitze (25) mit Stegen (24) versehen sind, um ein störungsloses Überfahren der Kolbendichtleisten zu gewährleisten. Ein Kolben überfährt nacheinander zuerst den Auslassschlitz und dann den Einlassschlitz. Die Kolben überdecken mit ihrem Öffnungswinkel – im Bsp. 19° – den Kernbereich der Schlitze zwischen OT und UT vollständig. Die Kolbenrückseiten (der Drehrichtung entgegen gesetzten Stirnseiten) steuern die Auslassschlitze, die Kolbenvorderseiten (in Drehrichtung weisenden Stirnseiten) steuern die Einlassschlitze. Überfährt die Kolbenrückseitenkante den Auslassschlitz, erfolgt in der dahinter liegenden Kammer ein Druckabbau mit nachfolgendem Ausstoßen der Abgase durch den nächsten Kolben. Der sog. Vorauslass beträgt im Bsp. ca. 7° vor UT. Das entspricht etwa 14% des Kammeröffnungswinkels von maximal 52°. Durch einen oder mehrere Vertikalschieber (23) mit solch großen Zähnen, das sie exakt in die Lücken zwischen den Stegen passen, kann der Vorauslass verändert werden. Eingezeichnet sind hier Schieber mit rechteckigem Querschnitt, so dass auch die Schlitze in diesem Bereich rechteckig und die Stege gerade sind. Die 9c mit Pfeil in diesen Bereich zeigt diese Zuordnung. 9b zeigt eine mögliche Lage des Schieberschachts schräg in den Schlitz führend. Am oberen Ende der Schieber sitzen Betätigungselemente wie z. B. Bolzen, die als Anker für elektro-magnetische Zugvorrichtungen dienen können. Bei Einschub der Schieber verengt sich der Schlitz von l₂ auf l₁.
Überfährt die Kolbenvorderseitenkante die Einlassöffnung, so schließt der Kolben sukzessive den Einlassschlitz für die davor liegende Kammer. Zwischen OT und UT ist die Kolbenbewegung mäßig beschleunigt. Danach überfährt der Kolben jedoch sehr schnell den noch offenen Bereich zwischen UT und 15° nach UT. Dabei öffnet die Kolbenrückseite wiederum den Einlass für die nachfolgende Kammer, die sehr schnell aufgezogen wird. Um Nachladeeffekte nutzen zu können sollte deshalb der Nacheinlass größer sein als der Vorauslassbereich – im Bsp. wurde die etwa doppelte Größe gewählt. Dabei wird ein Bereich bis 7° nach UT ständig als Nacheinlass genutzt und der Bereich bis zwischen 7° und 15° kann wieder mit Schiebern in der Größe variiert werden.
10: In Anlehnung an die bei Hubkolbenmotoren üblichen Steuerdiagramme zeigt die Darstellung ein Steuerdiagramm für einen Rotationskolbenmotor. Es ist zu lesen wie folgt: Der äußere Kreis beschreibt die Ansteuerungspunkte der Kolbenvorderkanten und der innere Kreis die der Kolbenrückseiten. Steht im Betrachtungszeitpunkt 0 K₁ (Kolben 1) mit der Vorderkante bei OT (oberer OT), so hat seine Rückseite die UT-Stellung rechts um 19° versetzt auf dem inneren Kreis. Die Kobenrückseite von K₁ hat also den Auslassschlitz für die nachfolgende Kammer um 7° geöffnet, und gewährleistet Druckabbau und nachfolgendes Ausstoßen 4 der Abgase durch K₈. Die Kolbenvorderseite von K₁ überfahrt den Einlassschlitz und schließt ihn bei 15° nach OT. Die Kolbenrückseite von K₂ bewegt sich von OT nach UT auf dem inneren Kreis und hat die Kammer für den Ansaugtakt 1 aufgezogen. Mit der Vorderkante schließt K₂ den Einlassschlitz und verdichtet 2 nachfolgend gegen die Rückseite von K₃ bis beide Kolben die nächste OT-Stellung in Drehrichtung eingenommen haben (Zeitpunkt 1). Zum Betrachtungszeitpunkt 0 stehen genau hier die Kolben K₃ und K₄ in OT mit dem kleinsten Volumen, in deren Arbeitsraum damit vorher mit dem Zündwinkel z gezündet wurde und ab OT gearbeitet 3 wird. Die Kolbenrückseite von K₄ nimmt den Verbrennungsdruck auf und bewegt sich von OT bis 7° v. UT. Beim Öffnen des folgenden Auslassschlitzes endet der Arbeitstakt 3. Man kann also, wenn man einen Kolben als Ausgangspunkt wählt, in der Kreisdarstellung nachvollziehen, in welchem Takt seine Steuerkanten sich bei beliebiger Winkelstellung jeweils befinden oder was zu einem bestimmten Betrachtungszeitpunkt die Steuerkanten aller anderen Kolben zeitgleich bewirken.
11: Statt Vertikalschiebern können auch Drehschieber zur Schlitzsteuerung verwendet werden. Die Zeichnung zeigt von der Lauffläche der Kolben her betrachtet die kreisförmig gebogenen Stege einer Auslassöffnung. Über den Stegen befindet sich ein in den Zylinderkopf eingearbeiteter kreisringförmiger Schacht in dem der grau unterlegte, mit Zähnen für die Stegzwischenräume versehene Drehschieber (23a) bewegt werden kann. Die Einzelheit E, d. h. der kreisförmig gebogene Auslassschlitz ist vereinfacht in gestreckter, geradliniger Form dargestellt. Der Schieber kann über ein Betätigungselement (23b) nach rechts gedreht werden, so dass der Schlitz um 7° vergrößert wird. Die Zähne schließen glatt mit der Lauffläche ab. Zwischen den Schieberzähnen und der Gehäusekante, wo die Stege enden und die Oberfläche des Zylinderkopfes (3) wieder geschlossen ist, entstehen allerdings kleine Hohlräume, die jedoch von der Kolbenoberseite überfahren und z. B. beim Verdichten bezüglich des Einlassschlitzes komplett geschlossen werden. Selbst wenn hier verdichtetes Restgas vorhanden ist, wird dies ohne Störungseffekte in die nachfolgende Kammer wieder entlassen.
12: Die Darstellung zeigt die Zündelektroden (35), wie sie um den Elektrodenabstand a versetzt in die Brennräume der Kolben eingesetzt sind. Bei Erhöhung der Drehzahl muss früher gezündet werden und die Zündung wird um den Zündwinkel z vorgestellt. Damit sind gegenüberliegende Kolben weiter entfernt voneinander. Der Abstand der Elektroden darf bei maximalem Zündwinkel z_max jedoch den Elektrodenabstand a_max nicht überschreiten, da sonst eine Funkenbildung nicht gesichert ist. Die winkelabhängige Länge l_max der kreisförmig mit dem Radius r_z gebogenen Elektroden muss sich danach richten. Kommen die Kolben wie in der unteren Hälfte der Darstellung gezeigt dichter zusammen, liegen die Elektroden im Abstand a parallel nebeneinander. Die Elektroden von B₀ werden vorzugsweise auf Masse gelegt und die von B₁ auf die Hochspannungsversorgung. Die Darstellung zeigt wie über ein isoliertes Kabel ein Pluspol an die Kolbenoberfläche gelegt ist. Streicht dieser Pol bei der Kolbenbewegung an einem im richtigen Zeitpunkt mit Hochspannung versorgten Gegenpol im Zylinderkopf (3) vorbei, wird wie bei einer Vorfunkenstrecke die Hochspannung berührungslos übertragen.
13: Die Darstellung zeigt mehrere mögliche Kolbenquerschnitte bei einer Vielzahl von Möglichkeiten bei der Formgebung.
14: Die Zylindermantelflächen von B₀ (Innenrohr, Außenrohr) und B₁ (Scheibe) können gegeneinander und gegen den Zylinderkopf mit Dichtringen – ähnlich den Kolbenringen bei Hubkolbenmotoren- versehen werden. In der Zeichnung sind ein kleiner und ein großer Dichtring (32) eingesetzt in die Scheibe von B₁ zur Abdichtung am Innen- und Außenrohr von B₀ dargestellt. Die Dichtringe sind an der entsprechenden Stelle mit Nuten versehen, in die die kurzen Schenkel der Eckdichtleisten (30) und (31) von oben her hinein geschoben werden. Die langen Schenkel der Eckdichtleisten sitzen – sich gegenseitig teilweise überdeckend – in den dafür vorgesehenen Nuten (34) an der Oberfläche der Kolben von B₀ oder B₁. Damit werden eine Abdichtung der Kammern gegeneinander und eine Abdichtung des Arbeitsraumes nach unten bzw. oben gewährleistet. Die Abdichtung der Kolben von B₀ gegen die Lauffläche von B₁ erfolgt mit geraden Dichtleisten (33), die gleichfalls in Nuten an den Kolbenoberflächen liegen und mit Spiel in das Innen- wie das Außenrohr ragen (linke Hälfte der Darstellung). Gegen den Zylinderkopf kann die Abdichtung wieder mit Dichtringen und Eckdichtleisten wie bei B₁ erfolgen, Sie sitzen in Nuten, welche in das Innenrohr sowie das Außenrohr von B₀ eingearbeitet sind. Die Dichtleisten werden mit Federelementen (29) – hier gewellte Blattfedern an die Dichtflächen gedrückt.
15: Die Darstellung zeigt das gesamte Laufwerk, wie es den Patentansprüchen zugrunde liegt. Es besteht vorzugsweise nur aus drei Teilen, welche aus hitze- und hoch verschleißfesten, faserverstärkten Keramikwerkstoffen hergestellt werden können. Teil (2) ist der komplette Kolbenträger B₀ mit Außen- und Innenrohr und den vier Kolben, welche die Rohre verbinden. Die Rohre ragen in verschiedener Länge über die Kolben nach unten hinaus. Das Innenrohr sitzt bei Einschub des Kolbenträgers B₁ (4) im oberen Teil der Bohrung von B₁. Das Außenrohr sitzt nach Montage seines Gleitschienenträgers (5) passgerecht in der dafür vorgesehenen Ausdrehung und umgreift mit seiner Aussparung die Außenkanten der in diese Ausdrehung ragenden Gleitschiene. Teil (4) ist der scheibenförmige Kolbenträger B₁, welcher an der Unterseite eine in das Vollmaterial eingearbeitete Aussparung besitzt, die durchgehend ist und als Gleitschiene zur Aufnahme der Gleitstücke dient. An der Oberseite befinden sich die vier Kolben. Teil (5) ist der topfförmige Gleitschienenträger für B₀. Er umfasst mit seinem erhöhten äußeren Rand das Außenrohr von B₀ und nimmt es in der im Boden befindlichen Ausdrehung auf. Nach innen schließt sich eine kreisrunde schmale Fläche (hell) als Axiallagersitz für B₁ an (vgl. 5b).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3022871 A1 [0003, 0006, 0010]
DE 3843053 A1 [0003]
DE 4115289 C2 [0003, 0009, 0010]
DE 3521593 A1 [0005, 0010]
DE 2757016 A1 [0007, 0010, 0011]
CA 2516838 A1 [0008, 0010]

Claims

Rotationskolbenmaschine mit zwei unterschiedlich aufgebauten, um die gleiche Achse rotierenden Kolbenträgern, die über Gleitschienen und Gleitstücke vier Excenterzapfen und Excenterwellen bewegen, die mit den Planetenrädern eines Umlaufgetriebes verbunden sind, in der Weise, dass ein Kolbenträger den entstehenden Arbeitsraum durch ein Innenrohr und ein Außenrohr, der andere Kolbenträger durch eine in den Rohren laufende Scheibe von der Unterseite und ein gleichfalls zwischen den Rohren befindliches scheibenförmiges Gehäuseteil den Arbeitsraum von der Oberseite her begrenzen und ihn durch acht kreisringsegmentförmige Kolben, von denen jeweils vier mit den Kolbenträgern eine Baueinheit bilden, in acht Kammern teilen, die ihre Volumina beim Umlauf der Kolbenträger periodisch vergrößern und verkleinern und die während eines Umlaufs des Gesamtsystems für jeweils ein Kolbenpaar zwei Arbeitsspiele im Viertakt-Verbrennungsverfahren bzw. abwechselnd vier Kompressions- und vier Expansionsphasen ermöglichen; dadurch gekennzeichnet, dass für den einen Kolbenträger (2) zwei Rohre mit stark unterschiedlichen Durchmessern durch vier um 90° versetzte Kreisringsegmente (Kolben) miteinander verbunden sind und die Durchmesser der Rohre und Öffnungswinkel der Kreisringsegmente so aufeinander abgestimmt sind, dass die Bewegung von Excenterzapfen (15) und Gleitstücken (6) zwischen den Rohren möglich ist, wenn die Excenterzapfen als Bahnkurve während eines Umlaufs eine Astroide oder verkürzte Hypozykloide beschreiben.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolbenträger (4) und das Gehäuseteil (3) scheibenartig ausgebildet sind und die Form von Kreisringen besitzen, so dass sie sich passgerecht zwischen die Rohre des Kolbenträgers (2) einbringen lassen und die vier um 90° versetzten Kreisringsegmente auf der kreisringförmigen Oberfläche von (4) sich mit geringem Spiel zwischen (4) und (3) bewegen können.
Maschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die dem Umlaufgetriebe zugewandte Unterseite des Kolbenträgers (4) eine Gleitschiene durchgehend eingearbeitet ist, deren Gleitflächen mit dem gleichen Radius r gekrümmt sind wie die Berührungsflächen der einzusetzenden Gleitstücke (6) mit der Breite b und zwar unter der Bedingung r >> b mit der Folge, dass die Gleitstücke in der Schiene von der Höhenlage her fixiert sind. Gleiches gilt für Teil (5).
Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein topfförmiger Gleitschienenträger (5) eine massiv geformte Gleitschiene für den Kolbenträger (2) besitzt, deren Enden in eine kreisförmige Vertiefung/Ausdrehung ragen, in die das Außenrohr von (2) so eingesetzt werden kann, dass mit Umgreifen der Gleitschienenaußenkanten durch eine Aussparung im Außenrohr von (2) eine drehfeste Verbindung zwischen (2) und (5) zustande kommt und der Gleitschienenträger (5) nach oben hin (5.1) und nach unten hin (1.1) mit Axiallagersitzen ausgerüstet ist.
Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in die kreisringsegmentförmigen Kolben, in die Scheibe von (4) sowie in die Rohrmantelflächen von (2) an den abzudichtenden Oberflächen und an den Mantelflächen Nuten zur Aufnahme von Dichtringen und Dichtleisten eingearbeitet sind in der Weise, dass wegen des Längenausgleiches zweiteilige Eckdichtleisten (bzw. eine V-förmige kurze Eckdichtleiste zusammen mit zwei langen Eckdichtleisten) oder einteilige gerade Dichtleisten zusammen mit Federelementen eingelegt und die Eckdichtleisten in dafür vorgesehene Aussparungen der Dichtringe geschoben werden können, so dass die Kolben an ihren Rändern mit Dichtleisten zu den anderen Kammern hin und die Kolbenträger nach oben und unten hin mit Dichtringen versehen sind und so ausreichend gasdichte Kammern entstehen.
Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten der Kolben den halben Verdichtungs-/Verbrennungsraum in beliebiger Form aufnehmen und der Abstand und die Oberflächenstruktur (Kanäle Hebungen, Senken etc.) zweier gegenüberliegender Stirnflächen in der Weise gewählt werden, dass beim Verdichten des Gases gewünschte Verdichtungsgrade sowie Strömungseffekte und Verwirbelungen entstehen.
Maschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungsräume die Zündelektroden aufnehmen in der Weise, dass sie mit dem Einbauradius gekrümmt und mit dem Elektrodenabstand versetzt eingebaut sind, so dass sie bei starker Annäherung der Kolben sich mit den Elektrodenflächen frei nebeneinander bewegen können und dass bei der Stellung mit größtem Zündwinkel der Elektrodenabstand gerade eingehalten wird.
Maschine nach Anspruch l dadurch gekennzeichnet, dass der Getriebeteil und der Verbrennungsteil örtlich getrennt sind und Teile des Getriebes wie Planetenträger (11, 20) und Excenterzapfenstücke (14) so ausgeführt werden, dass ein Wärmeübergang vom Verbrennungsteil auf das Getriebe vermieden wird – bevorzugt aus hitze – und verschleißfestem, vollkeramischem und schlecht Wärme leitendem Material hergestellt wie auch der Zylinderkopf und das gesamte Laufwerk.
Maschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei gegenüberliegende, um 180° versetzte Excenterwellen bzw. Excenterzapfen einem Kolbenträger zugeordnet werden in der Weise, dass Kraftaufnahmen und Kraftabgaben an diesen Teilen symmetrisch und gleichmäßig erfolgen und dadurch das System vollständig ausgewuchtet werden kann sowie einen mechanisch vibrationsfreien Lauf zulässt.
Maschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein durchgehender Ringraum (2.4) durch eine doppelwandige Ausführung des äußeren Bereiches des Kolbenträgers (2) entsteht und eine Füllung mit einem Wärme aufnehmenden und verteilenden Medium wie Natrium aufnimmt und dieser Bereich außen durch propellerartig geformte Kühlrippen (2.5) ausgestattet wird, so dass über Durchbrüche in den Gehäuseteilen (1.1, 3.1) ein Luftstrom zur Wärmeabfuhr entsteht und die Maschine ohne zusätzliches Kühlsystem betrieben werden kann.
Maschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf und damit die Querschnittsflächen der Kolben zum Zylinderkopf hin in der Weise verändert werden, dass bei gleichen Kammervolumina sich die Massenträgheitsmomente des Laufwerks verringern – vorzugsweise konisch, halbrund, hyperbolisch oder S-förmig von innen nach außen die Höhe verringernd- so dass die Zylinderkopfflächen für die Aufnahme von Ein- und Auslassöffnungen sowie für den Verlauf des gesamten Arbeitsprozess am günstigsten gestaltet werden können.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zylinderkopf und Gehäusezylinder mit entsprechenden Ausformungen die Axial- und Radiallager aufnehmen in der Weise, dass gesonderte Drehteile (1.2, 2.3) als Lagersitze dienen sowie ein Zug- und Zentrierbolzen (22) durch den Zylinderkopf und das gesamte Laufwerk hindurch geführt wird, der in der Axiallage einstellbar (mit Gewindeteil und Mutter) ist, die Axial- und Radiallager von (2) und (4) aufnimmt und im Planetenträger bzw. in der Abtriebswelle des Getriebes mit einem Führungslager zentriert wird.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkopf (3) mit je zwei kreisringsegmentartigen um 180° versetzte Einlass- und Auslassöffnungen versehen wird in der Weise, dass die Einlassöffnungen innen (näher zum Kreismittelpunkt hin) und die Auslassöffnungen außen sitzen und mit kreisförmigen Stegen versehen sind, die genügend große Öffnungsquerschnitte und ein störungsloses Überfahren der Kolbendichtleisten zulassen sowie eine in Richtung der Zentrifugalkräfte wirkende Strömung der Gase beim Ansaugen und Ausstoßen gewährleisten.
Maschine nach Anspruch 1 und 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein- und ausfahrbare Vertikalschieber (23) oder verstellbare Drehschieber (23a) an ihrer Vorderkante mit Zähnen versehen werden, die sich passgenau in die Lücken zwischen den Stegen (24) setzen oder sich darin bewegen und bei verschiedenen Stellungen die Öffnungsquerschnitte und Öffnungszeitpunkte der Schlitze verändern und über Stellelemente so eine variable Schlitzsteuerung bewirken.
Maschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Verbrennungsraum zugewandte Seite des Zylinderkopfes (oder der gesamte Zylinderkopf) aus schlecht Wärme leitendem vollkeramischem Material ausgeführt oder damit beschichtet wird und die hoch Wärme belasteten Verbrennungsbereiche mit Hohlräumen zur Aufnahme von gut Wärme aufnehmenden und verteilenden Medien wie Natrium ausgestattet werden sowie der Zylinderkopf nach außen hin mit ausreichend großen Kühlrippen zur Wärmeabfuhr ausgerüstet wird, so dass ein zusätzliches Kühlsystem unnötig ist.