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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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Ein derartiger Rotationskolbenmotor ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise in luft-, wasser- oder landgebundenen Fahrzeugen verwendbar. Er umfasst ein Kolbengehäuse. In dem Kolbengehäuse ist ein weitestgehend zylinderförmiger Kolbenraum angeordnet, in welchem ein Rotationskolben um eine Kolbengehäusenachse rotierbar gelagert ist. An einem äußeren Umfang des Rotationskolbens und um die Kolbengehäusenachse auf einer Kolbenbahn sind mindestens zwei Räume angeordnet. Die Räume sind mittels Trennelementen voneinander separiert. Aus diesen werden Brennkammern ausgebildet. Zur Versorgung der Räume mit Kraftstoff sieht der Rotationskolbenmotor aus dem Stand der Technik mindestens eine Kraftstoffeinlasseinrichtung vor, welche den Fluss von Kraftstoff zwischen einem Kraftstofftank und einem Raum verschließt oder freigibt. Zum Herstellen eines Kraftstoff-Gas-Gemisches sehen bekannte Rotationskolbenmotoren eine Gaseinlassvorrichtung vor, welche den Einlass eines Gases, wie z. B. Umgebungsluft, in einen Raum reguliert. Zum Zünden des ungezündeten Kraftstoffes-Gas-Gemisches weist der bekannte Rotationskolbenmotor mindestens eine Zündeinrichtung auf und zum Auslassen des gezündeten Kraftstoff-Gas-Gemisches mindestens eine Abgasauslasseinrichtung.
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DE 199 54 480 A1 beschreibt einen Verbrennungsmotor mit zwei kreiszylindrischen Radialkolben-Einheiten, wobei die eine Einheit als Komprimierungs-Einheit und das andere System als Arbeits-Einheit wirkt. Beide Kolbenläufer sind mit einer Antriebswelle axial verbunden und drehen sich dadurch in der gleichen Drehrichtung und mit gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit.
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DE 496 590 A beschreibt eine Drehkolben-Brennkraftmaschine mit Schleusenschiebern, die das verdichtete Gemisch vom Kompressions- zum Expansionsraum befördern. Bei dieser Brennkraftmaschine sind die von einer Welle gesteuerten Schleusenschieber innerhalb der Kolbenlaufbahn angeordnet und arbeiten mit Widerlagsschiebern zusammen, welche den Ringraum in Kompressions- und Expansionsräume trennen.
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US 4,086,881 A beschreibt ebenfalls eine Rotationsmaschine, welche aus einer zylindrischen äußeren Schale und einem konzentrischen inneren zylindrischen Körper besteht, zwischen denen ein koaxialer Rotationskolben arbeitet.
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Bei dem vorstehend beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Rotationskolbenmotor besteht das Problem, dass komplex ausgeformte Bauteile notwendig sind, welche aufwändig hergestellt werden und damit kostenintensiv in der Produktion sind. Ein weiteres Problem entsteht durch das Vorhandensein von ungewünschten Vibrationen bei Betrieb des Motors. Diese entstehen, wenn die Kolbengehäusenachse und eine Rotationskolbenachse, um welche der Rotationskolben rotiert, nicht zusammenfallen, wie z. B. bei einem Wankelmotor. Durch eine derartige Anordnung der beiden Achsen zueinander entsteht eine Umwucht, die zu Vibrationen führt und einen erhöhten Verschleiß von Verbrauchsteilen mit sicht bringt. Bisher bekannte Vibrationskolbenmotoren bedürfen hinsichtlich ihrer einwandfreien Funktionalität einer Schmierung mittels geeigneter Schmierstoffe. Der Einsatz von Schmierstoffen ist jedoch ebenfalls problembehaftet, da diese beispielsweise mittels geeigneten Dichteinrichtungen aufwändig von den Räumen, in welchen das Kraftstoff-Gas-Gemisches gezündet wird, ferngehalten werden müssen. Bisher bekannte Rotationskolbenmotoren bestehen zudem aus einer Vielzahl einzelner Teilen, was dazu führt, dass diese sowohl ein hohes Gesamtgewicht erzeugen, als auch zu kostenintensiver Wartung führen. Auch vor dem Hintergrund der Energieeffizienz sind bekannte Rotationskolbenmotoren problembehaftet, da sie keinen niedrigen Verbrauch aufweisen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Rotationskolbenmotor der einleitend genannten Gattung mit einer gegenüber dem Stand der Technik optimierten Konstruktion und Wirkweise zu schaffen.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den Rotationskolbenmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, den Rotationskolbenmotor derart auszuführen, dass in dessen Kolbenraum mindestens ein beweglich gelagertes Schleusenelement eingreift. Das mindestens eine Schleusenelement ist verstellbar zwischen einer Schließstellung und einer Passierstellung. In seiner Schließstellung versperrt das Schleusenelement die Kolbenbahn, sodass zwischen dem Schleusenelement, einem in Rotationsrichtung des Rotationskolbens dem Schleusenelement vorauseilenden ersten Trennelement und den Begrenzungen des Kolbenraums eine der Brennkammern geschlossen ausbildet. In seiner Passierstellung entsperrt das Schleusenelement die Kolbenbahn, so dass die eine geschlossene Brennkammer aufgelöst ist und eines der Trennelemente, welches sich auf der Kolbenbahn rotierend bewegt, das Schleusenelement passieren kann.
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Der Vorteil des Einsatzes mindestens eines erfindungsgemäßen Schleusenelements besteht darin, dass sich dadurch unter Einsatz möglichst weniger Bauteile in der Schließstellung des Schleusenelements eine Brennkammer ausbilden lässt und in Passierstellung des Schleusenelements diese Brennkammer auflösbar ist. Dadurch ist es möglich, mit einem einem ersten Trennelement in Rotationsrichtung nacheilenden zweiten Trennelement nach dessen Passage des Schleusenelements erneut eine Brennkammer auszubilden. Im Unterschied zu einer Brennkammer ist ein Raum entweder durch ein erstes Trennelement, ein dem ersten Trennelement nachfolgendes zweites Trennelement und den Begrenzungen des Kolbenraums ausgebildet oder durch ein auf ein Schleusenelement zulaufendes Trennelement, ein Schleusenelement und den Begrenzungen des Kolbenraums. Zündungen des Kraftstoff-Gas-Gemisches finden in einer Brennkammer statt. Der Transport des gezündeten Kraftstoff-Gas-Gemisches findet in einem Raum statt.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor ist mit einem Arbeitsverfahren nach dem Viertaktprinzip antreibbar. Das Ansaugen des ersten Taktes wird dadurch realisiert, dass in Schließstellung des Schleusenelements das sich vom Schleusenelement rotierend wegbewegende erste Trennelement das Volumen der einen Brennkammer vergrößert und somit durch die Gaseinlassvorrichtung ein Gas in die Brennkammer saugt. Während des Ansaugens wird zudem über mindestens eine Kraftstoffeinlassvorrichtung ein Kraftstoff in die Brennkammer eingelassen und somit ein Kraftstoff-Gas-Gemisch hergestellt. Das Verdichten des Kraftstoff-Gas-Gemisches zum Herstellen eines zündfähigen Gemisches wird dadurch realisiert, dass eine geeignete Verdichtungseinrichtung vorgesehen ist, die beispielsweise mittels Gasdruck ein Verdichtungsverhältnis in der Brennkammer von beispielsweise über 10:1 erzeugt. Zum Ende des Verdichtungsvorgangs wird das zündfähige Kraftstoff-Gas-Gemisch mittels mindestens einer Zündeinrichtung gezündet. Der durch die Zündung des Gemisches entstehende Druck wirkt auf die Begrenzungen der Brennkammer ein. Da das mindestens eine Schleusenelement in seiner Schließstellung und die Begrenzungen des Kolbenraums bzgl. der Rotationsrichtung des Rotationskolbens unbeweglich sind, führt die Zündung und das Einwirken des durch die Zündung entstandenen Drucks zu einer Rotation des einen Trennelements um die Kolbengehäusenachse. Die Rotationsbewegung des Rotationskolbens bzw. die durch den Rotationskolbenmotor geleistete Arbeit wird mittels einer entsprechend ausgebildeten Welle vom Rotationskolbenmotor auf nicht weiter spezifizierte Verbraucher übertragen. Dabei kann die Umdrehungszahl des Rotationskolbens in einem Größenbereich zwischen 25.000 U/min und 30.000 U/min liegen.
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Eine Brennkammer ist somit lediglich so lange ausgebildet, bis der durch die Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemisches entstandene Druck auf eines der Trennelemente eingewirkt und somit eine Rotationsbewegung des Rotationskolbens verursacht hat. Nach der Umwandlung der chemischen Energie in mechanische Energie und deren Übertragung ist das Aufrechterhalten einer Brennkammer zum Zwecke der Antriebsfunktion nicht mehr nötig. Das Auflösen der Brennkammer erfolgt durch das Bewegen des Schleusenelements in seine Passierstellung, so dass die Brennkammer aufgelöst ist und ein auf der Kolbenbahn einem ersten Trennelement nachfolgendes zweites Trennelement das Schleusenelement passieren kann. Entsprechend des zyklischen Arbeitsverfahrens wiederholt sich der oben beschriebene Vorgang mit dem nun involvierten, zweiten Trennelement erneut. Der vierte Takt im Arbeitsverfahren wird dadurch realisiert, dass das gezündete Kraftstoff-Gas-Gemisch von einem dem ersten Trennelement nachfolgenden zweiten Trennelement aus dem Raum befördert werden kann.
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Der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor sieht mit einem Rotationskolben und einem Schleusenelement lediglich wenigstens zwei bewegliche Bauteile auf. Neben der Reduktion der beweglichen Teile weist der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor keine kompliziert geformten Bauteile auf, so dass dieser kostengünstig herstellbar ist. Dadurch, dass die Rotationskolbenachse mit der Kolbengehäusenachse zusammenfällt, ist eine Umwucht weitestgehend ausgeschlossen und eine gewünschte, vibrationsfreie Arbeitsweise realisiert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung ist das Schleusenelement um eine Schleusenachse rotierbar gelagerte Scheibenschleuse, welche an ihrem Umfang mindestens eine Passierausnehmung aufweist. Die Scheibenschleuse greift soweit in den Kolbenraum des Kolbengehäuses ein, dass deren äußere Umfangsfläche an eine der Kolbengehäuseachse abgewandten Gleitfläche des Rotationskolbens angrenzt. Die Gleitfläche weist eine zur Kolbengehäusenachse gerichtete Wölbung auf, deren Radius mit dem Radius der Scheibenschleuse korrespondiert. Durch ihre in den Kolbenraum eingreifende Oberfläche, welche quer zur Kolbenbahn ausgerichtet ist, bildet die Scheibenschleuse wie beschrieben eine geschlossene Brennkammer aus. Die Passierstellung der Scheibenschleuse wird dadurch realisiert, dass während der Rotation der Scheibenschleuse die mindestens eine Passierausnehmung den Brennkammer durchläuft.
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Die mindestens eine Passierausnehmung ist vorteilhafterweise so ausgeführt, dass ein Trennelement, welches sich auf der Kolbenbahn bewegt und die Scheibenschleuse in deren Passierstellung passiert, zwar durch die Passierausnehmung hindurchpasst, die Passierausnehmung jedoch lediglich gerade so groß ist, dass die Passierstellung der Scheibenschleuse in der Passierphase möglichst kurzzeitig hergestellt ist. Die Form der Passierausnehmung korrespondiert daher vorteilhafterweise mit der Form des Trennelements. Eine möglichst kurze Passierphase ist von Vorteil, da das gezündete Kraftstoff-Gas-Gemisch aus der vorauseilenden Brennkammer mit dem Herstellen der Passierstellung dazu neigt, sich entgegen der Rotationsrichtung auszubreiten. Zum Ausgleichen einer durch das Anordnen von lediglich einer Passierausnehmung entstehenden Umwucht ist es denkbar, mehrere gleichmäßig beabstandete Passierausnehmungen am äußeren Umfang der Scheibenschleuse anzuordnen oder andere Ausnehmungen an der Scheibenschleuse vorzusehen, wie beispielsweise Umwuchtbohrungen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung ist das Schleusenelement eine lateral verschiebbare Plattenschleuse. Der Vorteil einer Plattenschleuse besteht darin, dass diese lediglich seitlich in die Brennkammer eingeschoben werden kann und somit eine geringe Fläche entsteht, welche einer Abdichtung bedarf. Die Schließstellung der Plattenschleuse ist dadurch realisiert, dass diese mit ihrer der Kolbengehäusenachse zugewandten Kantenfläche die Gleitfläche des Rotationskolbens kontaktiert. Die Passierstellung der Plattenschleuse wird dadurch realisiert, dass sie lateral aus der Brennkammer verfahren wird, sodass ein Trennelement diese passieren kann. Es ist jedoch auch denkbar, die Plattenschleuse aus einer anderen Richtung in die Brennkammer zu verfahren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung weist der Rotationskolbenmotor ein zweites Schleusenelement auf, welches vorzugsweise dem ersten Schleusenelement am Kolbenraum gegenüberliegend angeordnet ist, so dass sich die Kolbenbahn in zwei gleichgroße Abschnitte teilt. Das Anordnen eines zweiten Schleusenelements ist im Hinblick auf die Reduzierung von Vibration und somit die Steigerung der Laufruhe vorteilhaft. Es ist somit möglich, die vier Takte des Arbeitsverfahrens pro Umdrehung des Rotationskolbens zweimal auszuführen und/oder diese zeitlich versetzt auszuführen. Es ist jedoch auch denkbar, mehr als zwei Schleusenelemente am Rotationskolbenmotor anzuordnen, so dass die vier Takte des Arbeitsprozesses entsprechend der Anzahl an Schleusenelementen pro Umdrehungen des Rotationskolbens öfter ausgeführt werden können.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbens nach der Erfindung sind am äußeren Umfang des Rotationskolbens drei gleichmäßig beabstandete Trennelemente angeordnet. Eine derartige Anordnung von Trennelementen ist bezüglich der Energieeffizienz vorteilhaft. Bei einem Rotationskolbenmotor mit einem Schleusenelement und drei Trennelementen ist es möglich drei Zündungen eines zündfähigen Kraftstoff-Gas-Gemisches pro Umdrehung des Rotationskolbens zu realisieren. Bei Einsatz von zwei Schleusenelementen und drei Trennelementen ist es möglich, sechs Zündungen des Kraftstoff-Gas-Gemisches pro Umdrehung des Rotationskolbens zu gewährleisten. Im vorausgegangenen Testverfahren hat die Kombination von zwei Schleusenelementen und drei Trennelementen gezeigt, dass diese besonders im Hinblick auf Laufruhe und Verbrauchseffizienz vorteilhaft ist. Es ist jedoch auch denkbar, andere Verhältnisse von Schleusenelementen zu Trennelementen zu realisieren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung ist mehr als eine Zündeinrichtung vorgesehen, um eine Zündung eines ungezündeten Kraftstoff-Gas-Gemisches in einer Brennkammer auszuführen. Zum Erzeugen einer möglichst großen Kraftentfaltung durch die Zündung des Gemisches ist es vorteilhaft, eine homogene Zündung des Gemisches durchzuführen. Gerade mit Hinblick auf die gebogene und längliche Form der Brennkammern entlang der Kolbenbahn bei Einsatz weniger Trennelemente ist es sinnvoll, mehr als eine Zündeinrichtung zum homogenen Zünden des Kraftstoff-Gas-Gemisches in einer Brennkammer vorzusehen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung weist der Rotationskolbenmotor mindestens eine Absaugeinrichtung auf, um ein gezündetes Kraftstoff-Gas-Gemisch durch die Abgasauslasseinrichtung aus einer Brennkammer zu entfernen. Durch das aktive Entfernen des gezündeten Kraftstoff-Gas-Gemisches wird das das Gemisch aus dem Raum schiebende Trennelement unterstützt und es wird möglich, den Kolbenraum vollständig zu entleeren oder sogar einen Unterdruck zu erzeugen. Der Unterdruck zieht das auf das Scheibenelement zulaufende Trennelement an, wodurch eine die Rotationsbewegung des Rotationskolbens unterstützende Wirkung entsteht.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung weist der Rotationskolben in Rotationsrichtung hinter dem mindestens einen Trennelement ein Ventil auf, welches mit der Gaseinlassvorrichtung korrespondiert. Es ist somit möglich, eine in die Brennkammer strömende Gasmenge und die Dauer der Einströmung des Gases in die Brennkammer zu regulieren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbens nach der Erfindung weist der Rotationskolbenmotor mindestens einen Kompressor auf, welcher ein komprimiertes Gas über die Gaseinlassvorrichtung in mindestens eine Brennkammer einleitet. Ein Kompressor sorgt während des Verdichtens des Kraftstoff-Gas-Gemisches für ein zündfähiges Verdichtungsverhältnis. Es ist denkbar, dass die Anzahl der Kompressoren mit der Anzahl der Schleusenelemente und somit der Anzahl der entstehenden Brennkammern korrespondiert.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung weist der Rotationskolbenmotor mindestens eine Antreibervorrichtung auf, welche mit mindestens einem Rotationskolbenmotor zusammenwirkt und als Kompressor (30) oder als Turbine ausgeführt sein kann, umfassend ein Kolbengehäuse (62), einen in dem Kolbengehäuse (62) angeordneten, zylinderförmigen Kolbenraum (64), einen in dem Kolbenraum (64) um eine Kolbengehäuseachse (C) rotierbar gelagerten Rotationskolben (68), mindestens zwei an einem äußeren Umfang des Rotationskolbens (68) und um die Kolbengehäuseachse (C) auf einer Kolbenbahn rotierbar angeordnete Räume (70), welche mittels Trennelementen (74) voneinander separiert sind und aus welchen Kompressionskammern (72) ausgebildet werden, mindestens eine Einlassvorrichtung, und mindestens eine Auslassvorrichtung, mindestens ein beweglich gelagertes Schleusenelement (24), welches in einer Schließstellung die Kolbenbahn versperrt, so dass sich zwischen dem Schleusenelement (24), einem in Rotationsrichtung des Rotationskolbens (68) dem Schleusenelement (24) nacheilenden ersten Trennelement (74) und den Begrenzungen des Kolbenraums (64) eine der Kompressionskammern (72) ausbildet, und in einer Passierstellung die Kolbenbahn entsperrt, so dass die eine Kompressionskammer (72) aufgelöst ist und eines der Trennelemente (74) auf der Kolbenbahn das Schleusenelement (24) beim Rotieren passieren kann.
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Die Turbine kann von einer Flüssigkeit durchströmt sein. Der Kompressor kann von einem Gas durchströmt sein. Die Wirkweise der Antreibervorrichtung korrespondiert mit der Wirkweise des Rotationskolbenmotors. Zum Starten des Rotationskolbenmotors lässt ein Anlasser zunächst die Antreibervorrichtung an, sodass sich der Rotationskolben (68) der Antreibervorrichtung um die Kolbengehäuseachse (C) dreht. Die Antreibervorrichtung wirkt, beispielsweise über eine Welle (40), mit dem Rotationskolbenmotor zusammen, sodass sich der Rotationskolben (6) des Rotationskolbenmotors mitdreht und dadurch der Rotationskolbenmotor anläuft. Durch das Zusammenwirken des Rotationskolbenmotors und der als Kompressor ausgeführten Antreibervorrichtung versorgt sich der Rotationskolbenmotor selbstständig mit komprimiertem Gas.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung mit einer als Kompressor ausgeführten Antreibervorrichtung, ist mindestens ein mit der Antreibervorrichtung verbundener Gasbehälter vorgesehen, welche so zusammenwirken, dass die mindestens eine Antreibervorrichtung ein komprimiertes Gas in den mindestens einen Gasbehälter einleitet und der mindestens eine Gasbehälter das komprimierte Gas über die Gaseinlassvorrichtung in mindestens eine Brennkammer einleitet. Vorteilhaft bei einer derartigen Ausgestaltung ist, dass der Gasbehälter einen gleichbleibenden Gasdruck für die mindestens eine Brennkammer gewährleistet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung ist das mindestens eine Schleusenelement derart angeordnet, dass es rechtwinklig zur Rotationsrichtung des Rotationskolbens in die Kolbenbahn eingreift. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, da sie dem Trennelement ein möglichst rasches Passieren des Schleusenelements in seiner Passierstellung ermöglicht und bei der Explosion des gezündeten Kraftstoff-Gas-Gemisches eine optimale Brennkammergeometrie gewährleistet, welche keine spitzen Winkel aufweist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotationskolbenmotors nach der Erfindung sind die Bewegungen des Schleusenelements und des Rotationskolbens gekoppelt, vorzugsweise steuerbar gekoppelt. Eine derartige Kopplung kann entweder mechanisch mittels einer entsprechenden Bewegungsübertragungsvorrichtung oder elektrisch mittels einer Signalleitung realisiert werden.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen entnehmbar.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Rotationskolbenmotors nach der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
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1: eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor;
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2: einen Schnitt durch den Rotationskolbenmotor nach 1 entlang einer Linie II-II in 1;
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3: eine perspektivische Ansicht eines Rotationskolbens und eines Schleusenelements;
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4a–4d: vier Arbeitsschritte des Rotationskolbenmotors;
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5: eine Draufsicht auf ein Kolbengehäuse;
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6: eine Seitenansicht eines Kolbengehäuses;
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7: eine Draufsicht auf eine als Kompressor ausgeführte Antreibervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Wirkweise;
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8: eine Draufsicht auf ein Gehäuse einer als Kompressor ausgeführten Antreibervorrichtung; und
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9: eine Seitenansicht auf ein Gehäuse einer als Kompressor ausgeführten Antreibervorrichtung und ein Kolbengehäuse.
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1 zeigt ein Kolbengehäuse 2 mit zwei sich am Kolbengehäuse 2 gegenüberliegenden Schleusengehäusen 36. Im Kolbengehäuse ist ein Kolbenraum 4 angeordnet, der zylinderförmig ausgeführt ist. Der Kolbenraum 4 weist eine innere Seitenwand und eine äußere Seitenwand auf. Um eine Kolbengehäusenachse A ist ein Rotationskolben 8 rotierbar gelagert. Die Rotation um die Kolbengehäusenachse A des Rotationskolbens 8 beschreibt eine kreisförmige Kolbenbahn, welche zwischen der Innenwand und der Außenwand des Kolbengehäuses 2 verläuft. Am äußeren Umfang des Rotationskolbens 8 sind auf einer der Kolbengehäusenachse A abgewandten Gleitfläche 52 drei gleichmäßig beabstandete Trennelemente 14 angeordnet, welche sich um die Kolbengehäusenachse A rotierend auf der Kolbenbahn bewegen und den Kolbenraum 4 quer zur Kolbenbahn vollständig ausfüllen. Zwischen den Begrenzungen des Kolbenraums 4, den Trennelementen 14 und der Gleitfläche 52 des Rotationskolbens 8 sowie zwischen den Begrenzungen des Kolbenraums 4, der Gleitfläche 52 des Rotationskolbens 8, dem Schleusenelement 24 und dem in Rotationsrichtung hinter dem Schleusenelement 24 liegenden Trennelement 14 sind Räume 10 ausgebildet. Zwischen den Begrenzungen des Kolbenraums 4, der Gleitfläche 52 des Rotationskolbens 8, den Schleusenelementen 24 und den in Rotationsrichtung vor den Schleusenelementen 24 liegenden Trennelementen 14 sind Brennkammern 12 ausgebildet. An der äußeren Seitenwand des Kolbenraums 4 sind sich jeweils diametral gegenüberliegend Kraftstoffeinlassvorrichtungen 16, Gaseinlassvorrichtungen 18 und Zündeinrichtungen 20 angeordnet. Des Weiteren sind sich ebenfalls diametral gegenüberliegend an der äußeren Seitenwand des Kolbenraums 4 Zündstellen 44 angeordnet. Am Rotationskolben 8 ist hinter jedem Trennelement 14 jeweils ein Ventil 34 angeordnet, welches mit den Gaseinlassvorrichtungen 18 zusammenwirkt. In der äußeren Seitenwand des Kolbenraums 4 sind im Bereich der Schleusenelemente 24 Kühlungskanäle 38 angeordnet.
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Die Schleusenelemente 24 sind als rotierbar gelagerte Scheibenschleusen 24 ausgeführt und sind mittels eines nicht weiter dargestellten Lagers um jeweils eine Schleusenachse B rotierbar gelagert. Wie 2 zeigt, weisen die Scheibenschleusen 24 an ihrem Umfang eine Passierausnehmung 28 auf. In der Scheibenschleuse 24 sind der Passierausnehmung 28 diametral gegenüberliegend drei Ausnehmungen in Form von Unwuchtbohrungen angeordnet. Das die Passierausnehmung 28 passierende Trennelement 14 weist an seiner dem Schleusenelement 24 zugewandten Außenseite eine gekrümmte Fläche auf, deren Radius mit einem entsprechenden Radius eines radialen Bereichs der Passierausnehmung 28 der Scheibenschleuse 24 korrespondiert. Wellenseitig ist das Trennelement 14 am Rotationskolben 8 angeordnet, welcher drehfest gegenüber der Welle 40 ist. Die Welle 40 ist mittels eines nicht weiter präzisierten Lagers um die Kolbengehäusenachse A rotierbar gelagert. In das Kolbengehäuse 2 greift ein Gasbehälter 32 ein. Der Gasbehälter 32 enthält ein komprimiertes Gas für den Einlass durch eine Gaseinlassvorrichtung 18 in eine Brennkammer 12.
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Der Rotationskolben 8 ist in 3 schematisch mit einem an der Gleitfläche 52 angeordneten Trennelement 14 und einer an der Gleitfläche 52 anliegenden Scheibenschleuse 24 dargestellt. Der Rotationskolben umfasst ein Tellersegment 54, welches mit der Welle 40 verbunden ist, und ein Radialsegment 56, welches senkrecht auf dem Tellersegment 54 angeordnet ist und welches die Gleitfläche 52 aufweist. Das Tellersegment weist eine konstante Dicke auf, kann jedoch auch je nach Verwendungszweck, Konstruktionskriterium oder Kundenpriorität von der Kolbengehäusenachse A ausgehend zum Radialsegment 56 entweder dünner oder dicker werden. Die Scheibenschleuse 24 ist in ihrer Schließstellung abgebildet.
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Die Wirkweise des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors zeigen die 4a bis 4d. Wie in 4a dargestellt, bildet sich zwischen der Außenwand des Kolbengehäuses 2, dem Schleusenelement 24, der Gleitfläche 52 des Rotationskolbens 8 und dem in Rotationsrichtung dem Schleusenelement 24 im Uhrzeigersinn vorauseilenden Trennelement 14 eine Brennkammer 12 aus. Auf der kreisförmigen Kolbenbahn korrespondiert ein Ventil 34 mit der als Schlitzfräsung ausgeführten Gaseinlassvorrichtung 18. Aus einem nicht dargestellten Gasbehälter wird durch die Gaseinlassvorrichtung 18 und das Ventil 34 ein Gas in die Brennkammer 12 eingeleitet. Das Einleiten des Gases in die Brennkammer 12 ist beendet, wenn das Trennelement 14 die in 4b dargestellte Position erreicht. An dieser Position endet die als Schlitzfräsung ausgeführte Gaseinlassvorrichtung 18. Während seiner kreisförmigen Bewegung im Uhrzeigersinn passiert das Trennelement 14 eine erste Kraftstoffeinlassvorrichtung 16 und aktiviert diese, so dass ein Kraftstoff in die Brennkammer 12 eingeleitet wird. Darauf passiert das Trennelement 14 eine Zündeinrichtung 20. Eine zweite Kraftstoffeinlassvorrichtung 16 wird durch das Passieren des Trennelements 14 ebenfalls aktiviert. Die Kompression des Inhalts der Brennkammer 12 zu einem zündfähigen Kraftstoff-Gas-Gemisch findet mittels Zufuhr von Gas bzw. Umgebungsluft aus einem nicht dargestellten Kompressor statt. Passiert das Trennelement 14 eine in der Außenwand des Kolbengehäuses 2 angeordnete Zündstelle 44, wird das zündfähige Kraftstoff-Gas mittels der Zündvorrichtung 20 gezündet, wie in 4c zu sehen. Die Zündung des Kraftstoff-Gas-Gemisches kann ihre Kraft solange entfalten, bis das Schleusenelement 24 mit seiner Passierausnehmung 28 den Kolbenraum 4 durchstreift, um die Kolbenbahn für ein nachfolgendes zweites Trennelement 14 zu entsperren. Durch das Entsperren der Kolbenbahn wird die Brennkammer 12 aufgelöst. Das dem ersten Trennelement 14 nachfolgende zweite Trennelement 14 schließt mit dem ersten Trennelement 14 das gezündete Kraftstoff-Gas-Gemisch in einem Raum 10 ein. Die bisher beschriebenen Vorgänge finden analog zu dem ersten Trennelement 14 mit dem zweiten Trennelement 14 statt. Dadurch ist eine kontinuierliche Rotation des Rotationskolbens gewährleistet. Wie 4d zeigt, schiebt das dem ersten Trennelement 14 nacheilende zweite Trennelement 14 das gezündete Kraftstoff-Gas-Gemisch vor sich her. Nachdem das vorauseilende erste Trennelement 14 ein zweites Schleusenelement 24 passiert hat, drückt das zweite Trennelement 14 das gezündete Kraftstoff-Gas-Gemisch aus einer Abgasauslasseinrichtung 22 hinaus. Der oben beschrieben Vorgang findet gleichzeitig um die Hälfte zeitlich versetzt am zweiten Schleusenelement 24 statt, so dass zwischen den abwechselnden Zündungen an den Schleusenelementen 24 gleichgroße Zeitabstände liegen.
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Die 5 und 6 zeigen ein weitestgehend quadratisches Gehäuse, in welchem ein Kolbengehäuse 2 angeordnet ist. Aus dem Kolbengehäuse 2 ragt zentral die Welle 40 hinaus. Beidseits des Kolbengehäuses 2 sind zwei Schleusengehäuse 36 angeordnet.
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Die 7 zeigt eine als Kompressor 30 ausgeführte Antreibervorrichtung mit der erfindungsgemäßen Wirkweise des Rotationsmotors. Das auf einer Kreisbahn im Uhrzeigersinn rotierende Trennelement 74 saugt Umgebungsluft durch eine als Normalgaseinlass 46 ausgeführte Einlassvorrichtung in eine Kammer 70 ein. Der Normalgaseinlass 46 umfasst ein Ventil, sodass Gas bzw. Umgebungsluft in die Kammer 70 einströmen, jedoch nicht durch diesen aus der Kammer 70 ausströmen kann. Die Kammer 70 ist gebildet durch die Begrenzungen eines Kompressorgehäuses 62, einer Gleitfläche 52 des Rotationskolbens 68, ein dem Schleusenelement 24 in Rotationsrichtung vorauseilenden Trennelement 74 und einer kammerseitigen Oberfläche eines Schleusenelements 24 oder einem dem in Rotationsrichtung ersten Trennelement 74 nachfolgenden zweiten Trennelement 74. Der Raum 70 wird aufgelöst und eine Kompressionskammer 72 gebildet, nachdem das in Rotationsrichtung am vorderen Rand des Raums 70 liegende erste Trennelement 74 das Schleusenelement 24 passiert hat. Nach weiterer Rotation komprimiert das dem ersten Trennelement 74 nachfolgende zweite Trennelement 74 die Luft in der Kammer 72 an dem nach der Passage des vorauseilenden ersten Trennelements 74 erneut geschlossenen Schleusenelement 24. Die komprimierte Luft wird durch eine als Kompressionsgasauslass 48 ausgeführte Auslassvorrichtung aus der Kammer 72 ausgelassen. Eine Welle 40 durchgreift das Kompressorgehäuse 62 entlang einer Kolbengehäuseachse C.
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8 und 9 zeigen ein quadratisches Kompressorgehäuse 31, welches das runde Kompressorgehäuse 62 umfasst. An den Außenseiten des Kompressorgehäuses 31 sind Schleusengehäuse 36 angeordnet. Unterhalb des Kompressorgehäuses 31 ist ein Kolbengehäuse 2 mit zwei an den Außenseiten des Kolbengehäues 2 angeordneten Schleusengehäusen 36 abgebildet. Zwischen dem Kolbengehäuse 2 und dem Kompressorgehäuse 31 ist ein Gasbehälter 32 angeordnet. Eine Welle 40 durchgreift das Kolbengehäuse 2, den Gasbehälter 32 und das Kompressorgehäuse 31.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kolbengehäuse
- 4
- Kolbenraum
- 8
- Rotationskolben
- 10
- Raum
- 12
- Brennkammer
- 14
- Trennelement
- 16
- Kraftstoffeinlassvorrichtung
- 18
- Gaseinlassvorrichtung
- 20
- Zündeinrichtung
- 22
- Abgasauslasseinrichtung
- 24
- Schleusenelement
- 28
- Passierausnehmung
- 30
- Kompressor
- 31
- Kompressorgehäuse
- 32
- Gasbehälter
- 34
- Ventil
- 36
- Schleusengehäuse
- 38
- Kühlungskanal
- 40
- Welle
- 42
- Umwuchtbohrung
- 44
- Zündstelle
- 46
- Normalgaseinlass
- 48
- Kompressionsgasauslass
- 50
- Raum
- 52
- Gleitfläche
- 54
- Tellersegment
- 56
- Radialsegment
- 62
- Kompressorgehäuse
- 64
- Kolbenraum
- 68
- Rotationskolben
- 70
- Raum
- 72
- Kompressionskammer
- 74
- Trennelement
- A
- Kolbengehäuseachse
- B
- Schleusenachse
- C
- Kolbengehäuseachse
