DE102019005017B3 - Rotary crankless motor and method - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, insbesondere kurbelloser Rotationsmotor,- mit einem Motorgehäuseblock (1), und- mit zumindest einer Welle (3), und- mit zumindest einem Verdichterzylinder (13) bei welchem in einem Motorgehäuseblock (1) eine Brennkammerscheibe (2) mit mindestens einer Brennkammer (6), vorzugsweise mit mindestens drei Brennkammern (6), angeordnet ist, wobei die Brennkammerscheibe (2) rotierend auf der Welle (3) gelagert ist.The invention relates to an internal combustion engine, in particular a crankless rotary engine, - with a motor housing block (1), and - with at least one shaft (3), and - with at least one compressor cylinder (13) in which a combustion chamber disc (2) is located in a motor housing block (1) is arranged with at least one combustion chamber (6), preferably with at least three combustion chambers (6), wherein the combustion chamber disc (2) is rotatably mounted on the shaft (3).
Description
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, ausgeführt als kurbelloser Rotationsmotor mit einem einfachen, materialsparenden Aufbau, klarer Wirkungsweise und vielfältige Einsatzmöglichkeiten für einen neuen Ansatz zur allgemeinen Verwendung und Nutzung von kurbellosen Motoren.The invention relates to an internal combustion engine designed as a crankless rotary engine with a simple, material-saving structure, a clear mode of operation and a wide range of possible uses for a new approach to the general use and utilization of crankless engines.
Dieser kurbellose Rotationsmotor ist in erfindungsgemäßen Aufbau und Wirkungsweise eine Alternative dessen, was bei anderen Erfindungen als Dreh-, Rotations- oder Kreiskolbenmotor versucht und beschrieben wurde.This crankless rotary motor is in its construction and mode of operation according to the invention an alternative to what has been tried and described in other inventions as a rotary, rotary or rotary piston motor.
Diese Maschine kann erfindungsgemäß Grundlage und Beginn der Abkehr von über 150 Jahren Hubkolben- und Kurbelprinzip bei Verbrennungskraftmaschinen sein.According to the invention, this machine can be the basis and the beginning of a departure from the reciprocating piston and crank principle in internal combustion engines for over 150 years.
Trotz wachsender Anwendung und großer Zukunft von E-Mobilität ist dem Verbrennungsmotor auch für die nächsten Jahrzehnte die Existenz gesichert. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff ist für den Verbrennungsmotor zukünftig großes Potential in der Anwendung vorhersehbar. Das Gleiche gilt für jegliche alternative Brennstoffe wie z.B. Bioethanol.Despite the growing use and great future of e-mobility, the combustion engine is guaranteed to exist for the next few decades. Particularly when hydrogen is used as a fuel, great potential is foreseeable in future for the internal combustion engine. The same applies to any alternative fuels such as Bioethanol.
Gleichwohl werden die technischen Erfordernisse und Bestrebungen dahin gehen, die Effizienz von Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern.At the same time, the technical requirements and efforts will be aimed at improving the efficiency of internal combustion engines.
Eine gewisse Blockade der Effizienzsteigerung ist bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren schon immer die notwendige Umwandlung der linearen Kolbenbewegungen in gewünschte Drehbewegungen gewesen. Einhergehend mit dem dafür notwendigen Aufwand an Material z.B. für Pleuel, Ventilsteuerungen etc. und der verminderten Leistungsausbeute ist von jeher ein kurbelloser Rotations- oder Drehkolbenmotor ein Lösungsweg. Jedoch scheiterten die Ansätze in der Vergangenheit an viel zu kompliziertem Aufbau oder mangelnden Wirkungsgrad.In conventional reciprocating piston engines, a certain blockade of the increase in efficiency has always been the necessary conversion of the linear piston movements into desired rotary movements. Along with the necessary material expenditure, e.g. For connecting rods, valve controls, etc. and the reduced power output, a crankless rotary or rotary piston engine has always been a solution. However, the approaches failed in the past due to a structure that was far too complicated or a lack of efficiency.
Die
Als anfällig erscheint eine solche Konstruktion mit einem „versenkbaren Mitnehmer“ der gegen eine „Trennwand“ läuft. Überhaupt ist die Verwendung von Ringzylindern zur Verdichtung von Gasgemischen unter Verwendung vielfältiger beweglicher Teile, welche „durch Zapfen und Nuten geführt“ werden, nicht nur aus Sicht einer qualifizierten Dichtung fraglich.Such a construction with a “retractable carrier” that runs against a “partition” appears to be susceptible. In general, the use of ring cylinders for compressing gas mixtures using a variety of moving parts that are "guided through pins and grooves" is questionable, not only from the perspective of a qualified seal.
Bei der technische Lösung gemäß der
Obendrein ist wohl die Hälfte des Volumens der hier dargestellten „Brennkammern“ feststehend bzw. unbeweglich im Stator „verloren“ und kann nicht zur Ableistung mechanischer Arbeit genutzt werden.In addition, half of the volume of the “combustion chambers” shown here is fixed or immobile in the stator and “lost” and cannot be used to perform mechanical work.
Außerdem läuft hier Beschreibungsgemäß der Verbrennungszyklus nur bei jeder zweiten Brennkammer ab. Bei 6 Brennkammern würden also pro Umdrehung nur 3 Verbrennungsvorgänge und dafür auch 3 Abgasausstoßvorgänge stattfinden. Also es würde pro Umdrehung nur dreimal nutzbare Arbeit stattfinden.In addition, according to the description, the combustion cycle only runs for every second combustion chamber. With 6 combustion chambers, only 3 combustion processes and therefore 3 exhaust gas emissions would take place per revolution. So there would only be three usable work per revolution.
Nachteilig bei der technischen Lösung gemäß der
In
Diese Lösung erfordert das Vorhandensein einer feststehenden Brennkammer, in der ein kontinuierlicher Verbrennungsvorgang stattfindet, wie überhaupt auch die gesamte konstruktive Anordnung von Antriebskammern und Verdichterkammern bzw. Rotoren.This solution requires the presence of a stationary combustion chamber in which a continuous combustion process takes place, as does the entire structural arrangement of drive chambers and compression chambers or rotors.
Ein Motor gemäß
Auch ist bei der hiesigen Betrachtung die Ausnutzung der Verbrennungsenergie zur Umwandlung in eine radiale mechanische Bewegung zu hinterfragen. Der Wirkungsgrad erscheint, verbunden mit auch hier nicht optimaler Brennraumform und u.U. längerem Verbrennungsweg, als nicht sehr hoch.The use of the combustion energy to convert it into a radial mechanical movement must also be questioned when considering this. The efficiency appears connected with a combustion chamber shape that is also not optimal here and possibly a longer combustion path than not very high.
Die in der
In der
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Mängel oder Fehler des bekannten Standes der Technik zu beheben bzw. zu verbessern und eine Alternative zu bekannten Dreh-, Rotations- oder Kreiskolbenmotoren vorzuschlagen.The object of the invention is to eliminate or improve existing deficiencies or errors of the known prior art and to propose an alternative to known rotary, rotary or rotary piston engines.
Erfindungsgemäß befindet sich in einem Motorengehäuseblock, auf einer Welle rotierend gelagert, ein zylindrischer, scheibenförmiger Rotor, im Folgenden Brennkammerscheibe genannt.According to the invention, a cylindrical, disk-shaped rotor, hereinafter referred to as the combustion chamber disk, is located in a motor housing block, mounted in a rotating manner on a shaft.
Die beim heutigen Stand der Technik viel beschriebenen und versuchten „Drehkolben“, „Radialkolben“, „Kreiskolben“ oder „Rotationskolben“ für gleichlautende Verbrennungskraftmaschinen werden dem hier beschriebenen nicht gerecht, handelt es sich doch hierbei nicht um einen „Kolben“ sondern um einen rotierenden Zylinder, gleich einem Rotor bzw. einem Laufrad.The “rotary pistons”, “radial pistons”, “rotary pistons” or “rotary pistons” for internal combustion engines of the same name do not do justice to what is described here, as this is not a “piston” but a rotating one Cylinder, like a rotor or an impeller.
In das Innere der Brennkammerscheibe sind drei Brenn- bzw. Expansionskammern eingearbeitet. Die Brennkammern haben EinfüllÖffnungen zur Seite des Gehäuseblocks.Three combustion or expansion chambers are incorporated into the interior of the combustion chamber disc. The combustion chambers have filling openings on the side of the housing block.
Auf dem Gehäuseblock sitzen seitlich, im rechten Winkel zur Brennkammerscheibe, fünf Verdichterzylinder, welche jeweils einen Verdichterkolben beinhalten.On the side of the housing block, at right angles to the combustion chamber disc, sit five compressor cylinders, each of which contains a compressor piston.
Der Verdichterzylinder wird mit einem zu verdichtenden Verbrennungsmedium, hier vorzugsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, beschickt.The compressor cylinder is charged with a combustion medium to be compressed, here preferably a fuel-air mixture.
Parallel zur Brennkammerscheibe außerhalb des Rotorengehäuse läuft bzw. rotiert auf gleicher Welle wie die Brennkammerscheibe eine Nockenplatte mit drei keilförmigen Nocken.A cam plate with three wedge-shaped cams runs or rotates parallel to the combustion chamber disk outside the rotor housing on the same shaft as the combustion chamber disk.
Die Nocken befinden sich auf gleicher Höhe der Brennkammern der Brennkammerscheibe und rotieren/drehen sich mit diesen gleichzeitig.The cams are at the same height as the combustion chambers of the combustion chamber disc and rotate / rotate with them at the same time.
Die Nocken betätigen über Stangen/Stößel die Verdichterkolben. Die Stößel verfügen über Rückholfedern.The cams actuate the compressor pistons via rods / tappets. The tappets have return springs.
Gleichwohl können Verdichtungszylinder und Nockenscheibe auch in einem gemeinsamen kompakten Gehäuseblock untergebracht werden, unbeschadet dessen, dass die Brennkammerscheibe natürlich ihren eigenen Raum zum Laufen verwendet.Nevertheless, the compression cylinder and cam disk can also be accommodated in a common compact housing block, without prejudice to the fact that the combustion chamber disk naturally uses its own space to run.
Gleichzeitig ergeben Brennkammerscheibe und Nockenscheibe mit ihrem konstant kreisförmigen Lauf ideale Schwungmassen für ruhigen gleichförmigen Lauf der Maschine bei geringsten Leistungsverlust.At the same time, the combustion chamber disk and the cam disk with their constant, circular running result in ideal centrifugal masses for smooth, uniform running of the machine with the lowest possible loss of power.
Die konkrete, strömungsgünstige Ausformung der Verbrennungskammern wird hier nicht näher betrachtet.The specific, aerodynamic shape of the combustion chambers is not considered here.
Der erfindungsgemäße kurbelloser Rotationsmotor soll anhand der nachfolgend aufgeführten
-
1 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung der Brennkammerscheibe im Gehäuse in Schnittdarstellung. Für bessere Übersicht wurde die Darstellung aller unwesentlichen Elemente weggelassen. -
2 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung der Brennkammerscheibe im Gehäuse sowie der zugehörigen Verdichterzylinder, Verdichterkolben und seitlicher Nockenscheibe. Für bessere Übersicht wird nur jeweils eine Brennkammer, Verdichtungszylinder, Verdichterkolben, Stößel und Keil-Nocke von insgesamt jeweils fünf dargestellt. Unwesentliche, die Verständlichkeit beeinträchtigende Elemente sind weggelassen. - Die
3 bis7 begleiten die Erläuterungen der Funktion des Motors an einemeinzelnen Verdichterzylinder 13 undVerbrennungskammer 6 anhand Draufsicht, zweidimensional, Schnittdarstellung - In den
8 bis19 werden die Vorgänge „Verbrennen“ und „Ausstoßen“ anhand einer Drittel Umdrehung des Rotors aus seitlicher Schnitt-Perspektive zweidimensional dargestellt. -
20 zeigt die Zündfolge des erfindungsgemäßen Motors.
-
1 shows a two-dimensional schematic representation of the combustion chamber disc in the housing in a sectional view. For a better overview, the representation of all non-essential elements has been omitted. -
2 shows a two-dimensional schematic representation of the combustion chamber disk in the housing and the associated compressor cylinder, compressor piston and side cam disk. For a better overview, only one combustion chamber, compression cylinder, compressor piston, tappet and wedge cam out of a total of five is shown. Insignificant elements that impair intelligibility have been omitted. - The
3 to7th accompany the explanations of the function of the motor on asingle compressor cylinder 13 and combustion chamber6th based on top view, two-dimensional, sectional view - In the
8th to19th the processes "burning" and "ejecting" are based on a third of a turn of the rotor shown two-dimensionally from a lateral sectional perspective. -
20th shows the firing order of the engine according to the invention.
In den erfindungsgemäßen Motor wird ein Verbrennungsmedium
Im Unterschied zu klassischen Hubkolbenmotoren wird jedoch mit der Expansion der Verbrennungsgase nicht der ehemals verdichtende Kolben in lineare rückwärtige Bewegung, dem typischen Verbrennungs- bzw. Arbeitshub versetzt.In contrast to classic reciprocating piston engines, however, the expansion of the combustion gases does not set the previously compressing piston into linear backward movement, the typical combustion or working stroke.
Der hier beschriebene Verdichterkolben
Zum Zeitpunkt der Zündung befindet sich die Öffnung der Brennkammer
Die durch die Explosion/Verbrennung des Kraftstoffes entstehende Energie wirkt expansiv in die Brennkammer
Dabei gibt die Nocke
Der dabei im Innenraum
Das ist der Moment in dem in dieser übereinstimmenden, verbundenen Räumlichkeit von Brennkammer und Verdichtungsraum das komprimierte Verbrennungsmedium durch eine adäquate Zündquelle
Die expandierenden Verbrennungsgase treiben die Brennkammer
So wie bei Hubkolbenmotor der Kolben durch den Verbrennungsprozess fortgetrieben wird, ist in diesem Fall die rotierend bewegliche Brennkammer
Die hier seitlich am Verdichterzylinder
Nun erreicht die als „Zweite“ beschriebene und mit römisch
Unabhängig von einer entsprechend strömungsgünstigen Ausgestaltung der Brennkammer
Die Kompaktheit der Brennkammerscheibe
Das Gleiche gilt für eine Kühlmittelpumpe in der Brennkammerscheibe
Die anhand der
Auf die Darstellung einer kompletten Umdrehung der Brennkammerscheibe
In dieser Figur wird die Teilumdrehung beginnend dargestellt mit der ersten Zündung in der Brennkammer
So setzen sich die „Takte“ weiter fort, es wechseln sich Zündungen und Brenngas-Ausstoß ab und es ergibt sich folgendes Schema siehe Tabelle
Das Prinzip dieser Verbrennungskraftmaschine bietet vielfältigste und flexibelste Konstruktionsmöglichkeiten auf deren Ansätze nachstehend noch eingegangen wird.The principle of this internal combustion engine offers the most diverse and flexible design options, the approaches of which will be discussed below.
Vorteilhafterweise sind die nach Stand der Technik bekannten 4 Takte von Hubkolbenmotoren, nämlich „Ansaugen“, „Verdichten“, „Verbrennen“ und „Ausstoßen“ im Sinne dieser Erfindung so verteilt, dass die Verdichterzylinder die Takte „Ansaugen“ und „Verdichten“ übernehmen, während die Takte „Verbrennen“ und „Ausstoßen“ in den Brennkammern der Brennkammerscheibe erfolgen.Advantageously, the 4 strokes of reciprocating engines known from the prior art, namely "intake", "compress", "burn" and "eject" in the sense of this invention are distributed in such a way that the compressor cylinders take over the "intake" and "compression" cycles while the "burning" and "ejecting" cycles take place in the combustion chambers of the combustion chamber disc.
Im Gegensatz zum Stand der Technik finden gemäß dieser Lösung bei einer Umdrehung nicht nur drei Verbrennung z.B. Wankel-Motor oder ein bzw. zwei Takte Hubkolben-Motoren statt, sondern bei einer Konstruktion mit drei Brennkammern und fünf Verdichtungszylindern finden beachtliche fünfzehn Verbrennungen pro Umdrehung statt. Das heißt, je Umdrehung wird fünfzehn Mal Brennmedium z.B. Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt, verdichtet, verbrannt und ausgestoßen und hauptsächlich Arbeit verrichtet.In contrast to the prior art, according to this solution, not only three combustion e.g. Wankel engine or one or two-stroke reciprocating engine instead, but with a construction with three combustion chambers and five compression cylinders, a remarkable fifteen combustions per revolution take place. That is, fifteen times per revolution, combustion medium e.g. Fuel-air mixture sucked in, compressed, burned and expelled and mainly doing work.
Der Aufwand für Ansaugen und Verdichten des Brennmediums und auch für den Auslass der Verbrennungsgase ist minimal.The effort for sucking in and compressing the combustion medium and also for discharging the combustion gases is minimal.
Durch die Bauform einer kompakten Masse eines Rotors der Brennkammerscheibe
Durch diese Konstruktionsart wird die nicht Kraft leistende Arbeit auf das geringstmögliche reduziert.
Die Folge der kraftleistenden Arbeit liegt so dicht hintereinander, dass eine bremsende Wirkung so gut wie nicht besteht.This type of construction reduces the non-physical work to the lowest possible level.
The result of the strenuous work is so close behind one another that there is almost no braking effect.
Dieser Art von Motor verbindet die Prinzipien von Drehkolben und Hubkolben aber unter Verzicht auf das Effizienzbegrenzende Kurbelprinzip sowie Vermeidung einer komplizierten, Materialintensiven Bauform.This type of engine combines the principles of rotary pistons and reciprocating pistons, but dispensing with the efficiency-limiting crank principle and avoiding a complicated, material-intensive design.
Aufwändige und anfällige Steuerungen durch Ventile oder Schieber oder gegenlaufende Zahnkränze entfallen.There is no need for complex and fragile controls using valves or slides or counter-rotating sprockets.
Das ergibt eine enorm kräftige Verbrennungskraftmaschine mit großer Leistungsabgabe bei kleinstmöglicher Bauform.This results in an extremely powerful internal combustion engine with a large power output in the smallest possible design.
Die Kompaktheit des Motors erlaubt vielfältigste Einsatzmöglichkeiten.The compactness of the motor allows a wide variety of uses.
Die Abdichtung zwischen Brennkammer
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass dieser Motor für vielfältigste Bauformen und Brennstoffe nutzbar gemacht werden kann, wie z.B. auch Common Rail Einspritzung, Diesel, Wasserstoff usw., eine Vielstoffbrennfähigkeit ist prinzipiell angestrebt.Another advantage of the solution according to the invention is that this engine can be used for a wide variety of designs and fuels, e.g. also common rail injection, diesel, hydrogen, etc., a multi-fuel combustibility is principally aimed at.
Unabhängig von den hier skizzierten Abbildungen, bei dem ein Rotor
Große Motoren mit großer Leistungsabgabe können durchaus auch mit weitaus mehr Brennkammern und Verdichterzylindern bestückt sein, kompakte Motoren mit weniger.Large engines with a large power output can also be equipped with far more combustion chambers and compressor cylinders, compact engines with fewer.
Jedoch ist davon auszugehen, dass mehr als eine Brennkammer
Allerdings ist in der Konstruktion dieses Motors auch möglich, dass mehrere Brennkammerscheiben
Explizit bietet sich die Konstruktionsweise mit mehreren bis vielen Verdichterzylindern
Da die drei Brennkammern
Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn keine Energieabnahme in Form einer drehenden Welle notwendig ist.The construction with several to many compressor cylinders is explicitly offered
Because the three combustion chambers
This is particularly advantageous when no energy consumption in the form of a rotating shaft is necessary.
Die Brennkammern
Auch im Falle der Notwendigkeit einer Spülluftpumpe bietet sich der voluminöse Rotor zur Aufnahme an.The combustion chambers
The voluminous rotor can also be used if a scavenging air pump is required.
Konstruktiv bietet sich die Nockenscheibe
Und als Ausblick auch Denkansätze dahingehend, dass man die Brennkammerscheibe auch nabenlos ohne zentrale Welle ausführen kann, die Brennkammern verstellbar konzipieren oder in der Brennkammerscheibe ein Getriebe oder eine Ölpumpe unterbringen kann. Dieser Motor ist ein praktikabler Ansatz für Radnabenmotoren.And as an outlook also approaches to the effect that the combustion chamber disc can also be designed without a central shaft, the combustion chambers can be designed to be adjustable or a gearbox or an oil pump can be accommodated in the combustion chamber disc. This motor is a viable approach for in-wheel motors.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- GehäuseblockHousing block
- 22
- Brennkammerscheibe (Rotor)Combustion chamber disc (rotor)
- 33
- Wellewave
- 44th
- BrennstoffeinlassFuel inlet
- 55
- AbgasauslassExhaust outlet
- 66th
- BrennkammerCombustion chamber
- 77th
- Drehrichtung WelleDirection of rotation of the shaft
- 88th
- Überströmöffnung Verdichterzylinder zu BrennkammerOverflow opening from compressor cylinder to combustion chamber
- 99
- Zündkerze/ZündmediumSpark plug / ignition medium
- 1010
- Drehrichtung BrennkammerscheibeDirection of rotation of the combustion chamber disc
- 1111
- NockenscheibeCam disc
- 1212
- Keil-NockeWedge cam
- 1313
- VerdichterzylinderCompressor cylinder
- 1414th
- Bewegungsrichtung VerdichterkolbenDirection of movement of the compressor piston
- 1515th
- RückholfederReturn spring
- 1616
- StößelPlunger
- 1717th
- VerdichterkolbenCompressor piston
- 1818th
- VerdichtungsraumCompression space
- 1919th
- Laufrichtung NockenscheibeCam disc running direction
- 2020th
- Laufrichtung BrennkammerscheibeDirection of combustion chamber disc
- 2121st
- Rückstaugesperrte Zuführung VerbrennungsmediumBackflow-blocked supply of combustion medium
- 2222nd
- VerbrennungsmediumCombustion medium
- 2323
- AbgaseExhaust gases
- 2424
- RichtungspfeilDirection arrow
- 2525th
- Freiraum über StößelFree space over the slide
- 2626th
- Bewegungsrichtung StößelDirection of movement of the slide
- 2727
- Brennkammeröffnung Combustion chamber opening
- aa
-
Keil-Nocke
1 Wedge cam 1 - bb
-
Keil-Nocke
2 Wedge cam 2 - cc
-
Keil-Nocke
3 Wedge cam 3 - dd
-
Keil-Nocke
4 Wedge cam4th - ee
-
Keil-Nocke
5 Wedge cam 5 - II.
-
Brennkammer
1 Combustion chamber 1 - IIII
-
Brennkammer
2 Combustion chamber 2 - IIIIII
-
Brennkammer
3 Combustion chamber 3 - AA.
-
Verdichterzylinder
1 Compressor cylinder 1 - BB.
-
Verdichterzylinder
2 Compressor cylinder 2 - CC.
-
Verdichterzylinder
3 Compressor cylinder 3 - DD.
-
Verdichterzylinder
4 Compressor cylinder4th - EE.
-
Verdichterzylinder
5 Compressor cylinder 5
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |