DE102019112109B3

DE102019112109B3 - Rotationskolbenmotor

Info

Publication number: DE102019112109B3
Application number: DE102019112109.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2020-06-18
Anticipated expiration: 2039-05-10
Also published as: DE202020102107U1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor umfassend ein Gehäuse (2) mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuseinnenraum (2.1) und einen in dem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Drehkolben (3), wobei am Drehkolben (3) umfangsseitig verteilt mehrere Schieber (3.1, 3.2) vorgesehen sind, die zumindest mit einer Bewegungsrichtungskomponente in radialer Richtung im Drehkolben (3) verschiebbar geführt sind und mittels denen in einem Zwischenraum zwischen Drehkolben (3) und dem Gehäuse (2) mehrere umfangsseitig um den Drehkolben (3) herum verteilt angeordnete Motorzellen (4) begrenzt werden, wobei ein erster Teil der Motorzellen (4) als Arbeitszellen (4.1) ausgebildet sind, innerhalb denen zeitweise eine Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemisches erfolgt und dass ein zweiter Teil der Motorzellen (4) als Gebläsezellen (4.2) ausgebildet ist, mittels denen den Arbeitszellen (4.1) Luft für ein Spülen eines Verbrennungsraums der Arbeitszellen (4.1) und für einen nachfolgenden weiteren Verbrennungsvorgang zuführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor nach dem Rotationskolbenprinzip.
Verbrennungsmotoren sind grundsätzlich bekannt. Insbesondere sind Hubkolbenmotoren bekannt, die aufgrund des Kurbeltriebs, der die Hubbewegung in eine Rotationsbewegung umsetzt, der zumindest beim Viertakt-Motor benötigten Ventile und der Leistungsregelung durch Variieren der Menge des zugeführten Treibstoff-Luft-Gemischs einen schlechten Wirkungsgrad aufweist.
Auch Rotationskolbenmotoren sind bereits bekannt, bei denen Probleme bei der Abdichtung bestehen und die aufgrund der zerklüfteten, sichelartigen Brennräume einen schlechten Wirkungsgrad aufweisen.
Rotationskolbenmotoren sind aus den Druckschriften DE 697 32 860 T2 , DE 1 551 150 A und DE 819 935 B bekannt.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, einen Rotationskolbenmotor anzugeben, der aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile hinsichtlich Wirkungsgrad und Abdichtungsproblemen vermeidet.
Die Aufgabe wird durch einen Rotationskolbenmotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche. Ein Verfahren zum Betreiben eines Rotationskolbenmotors ist Gegenstand des nebengeordneten Patentanspruchs 14.
Gemäß einem ersten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf einen Rotationskolbenmotor. Der Rotationskolbenmotor umfasst ein Gehäuse mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuseinnenraum und einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Drehkolben. Am Drehkolben sind umfangsseitig verteilt mehrere Schieber vorgesehen, die zumindest mit einer Bewegungsrichtungskomponente in radialer Richtung im Drehkolben verschiebbar geführt sind und mittels denen in einem Zwischenraum zwischen Drehkolben und dem Gehäuse mehrere umfangsseitig um den Drehkolben herum verteilt angeordnete Motorzellen begrenzt werden. Ein erster Teil der Motorzellen ist als Arbeitszellen ausgebildet sind, innerhalb denen zeitweise eine Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Ein zweiter Teil der Motorzellen ist als Gebläsezellen ausgebildet, mittels denen den Arbeitszellen Luft für ein Spülen des Verbrennungsraums und für einen nachfolgenden weiteren Verbrennungsvorgang zuführbar ist.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch das Aufteilen des Raums zwischen Drehkolben und Gehäuse in mehrere Arbeitszellen und Gebläsezellen eine Motorkonfiguration erreicht wird, die bei einfacher Bauweise einen verbesserten Wirkungsgrad aufweist.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Drehkolben ein Drehkolbenbasisteil mit einer konzentrisch in diesem Basisteil angeordneten Lagerstelle oder einer Wellenaufnahme auf. Insbesondere weist der Drehkolben eine konzentrische Wellenaufnahme auf mittels der eine Welle fest mit dem Drehkolben verbunden ist. Die Welle kann im Gehäuse, insbesondere in Gehäuseseitenteilen eines Gehäuses, gelagert sein. Dadurch kann der Drehkolben vibrationsarm im Gehäuse rotieren.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse eine exzentrisch angeordnete Lagerstelle für den Drehkolben auf. Damit ist der Drehkolben bezogen auf einen Gehäuseinnenraum exzentrisch angeordnet. Das Volumen der durch die Schieber abgegrenzten Motorzellen wird bei Rotation des Drehkolbens variiert und damit in einem Teilbereich einer Umdrehung des Drehkolbens ein Ansaugen von Luft durch die Gebläsezellen und in einem anderen Teilbereich ein Aufbauen von Druck durch die Gebläsezellen erreicht. Das Volumen der Arbeitszellen wird ebenso bei Rotation des Drehkolbens verändert, wobei sich nach der Zündung eines verdichteten Treibstoff-Luftgemisches das Volumen der Arbeitszellen vergrößert und nach dem Austreiben des Verbrennungsgases durch einen Spülvorgang das Volumen der Arbeitszellen zur Kompression eines in den Arbeitszellen vorhandenen Treibstoff-Luftgemisches reduziert wird.
In einem Ausführungsbeispiel sind umfangsseitig verteilt und durch zumindest eine Gebläsezelle zueinander beabstandet zumindest zwei Arbeitszellen vorgesehen. Diese zur Arbeitszelle benachbarten Gebläsezellen sorgen zum einen für eine Kühlung der Arbeitszellen bzw. des Drehkolbens samt Schieber, zum anderen versorgen diese benachbart zu den Arbeitszellen angeordneten Gebläsezellen die Arbeitszellen mit zur Verbrennung und zum Austreiben des Verbrennungsgases nötigen Frischluft.
Vorzugsweise sind jeder Arbeitszelle mehr als zwei Gebläsezellen zugeordnet, beispielsweise vier Gebläsezellen, um die Arbeitszellen mit ausreichend Frischluft bzw. Spülluft zu versorgen und eine hinreichende Kühlung des Motorinnenraums zu erreichen.
In einem Ausführungsbeispiel weist das Drehkolbenbasisteil pro Gebläsezelle zumindest einen Stichkanal auf, über den eine Gebläsezelle mit einem im Gehäuse, insbesondere einem in einem Gehäuseseitendeckel vorgesehenen Druckkanal und/oder Saugkanal verbindbar ist. Der Stichkanal schafft insbesondere eine Querverbindung zwischen einem Seitenabschnitt des Drehkolbens und der Umfangsseite des Drehkolbens. Über diesen Stichkanal ist es damit möglich, die Volumenänderung in den Gebläsezellen dazu zu nutzen, zum einen Luft in die Gebläsezellen einzusaugen, zum anderen diese eingesaugte Luft in die Arbeitszellen überzuleiten, um dadurch das Verbrennungsgas auszutreiben und die Arbeitszelle mit Frischluft zu füllen.
In einem Ausführungsbeispiel ist im Gehäuse, insbesondere in einem Gehäuseseitendeckel, ein Saugkanal vorgesehen, in dem beabstandet zueinander mehrere Saugkanalöffnungen eingebracht sind. Diese Saugkanalöffnungen geben vorzugsweise eine Verbindung zwischen dem Saugkanal und dem Stichkanal frei. Anders ausgedrückt sind diese Saugkanalöffnungen derart angeordnet, dass bei Rotation des Drehkolbens der Saugkanal über die Saugkanalöffnungen und den Stichkanal mit dem Innenraum der Gebläsezelle verbindbar ist. Die Öffnungen geben vorzugsweise eine Verbindung zwischen dem Saugkanal und dem Stichkanal nur bei gewissen Drehstellungen des Drehkolbens frei. Dadurch kann Frischluft von einem in Gehäuse vorgesehenen Lufteinlass in die Gebläsezelle eingesaugt werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist im Gehäuse ein Druckkanal vorgesehen, in dem beabstandet zueinander mehrere Druckkanalöffnungen eingebracht sind. Diese Druckkanalöffnungen geben vorzugsweise eine Verbindung zwischen dem Druckkanal und dem Stichkanal frei. Anders ausgedrückt sind die Druckkanalöffnungen vorzugsweise derart angeordnet, dass bei Rotation des Drehkolbens der Druckkanal über die Druckkanalöffnungen und den Stichkanal mit dem Innenraum der Gebläsezelle verbindbar ist. Die Druckkanalöffnungen geben vorzugsweise eine Verbindung zwischen dem Druckkanal und dem Stichkanal nur bei gewissen Drehstellungen des Drehkolbens frei. Dadurch kann die in der Gebläsezelle vorhandene Luft in den Druckkanal übertragen bzw. gedrückt werden.
In einem Ausführungsbeispiel weist der Drehkolben, insbesondere das Drehkolbenbasisteil pro Arbeitszelle zumindest einen Umleitungskanal auf. Der Umleitungskanal ist zur Kopplung eines im Gehäuse vorgesehenen Druckkanals mit einer im Gehäuse, insbesondere einem Gehäuseseitendeckel, vorgesehenen Spülöffnung ausgebildet. Der Umleitungskanal ist vorzugsweise in Drehrichtung des Drehkolbens gesehen vor der Einspritzdüse für den Treibstoff vorgesehen. Weiterhin vorzugsweise ist der Umleitungskanal in Drehrichtung des Drehkolbens gesehen nach dem Ende des Saugkanals und vor den Druckkanalöffnungen vorgesehen. Durch den Umleitungskanal kann im Druckkanal vorgesehene, unter Druck (größer als der Atmosphärendruck) stehende Luft in die Arbeitszelle einströmen und dort eine Spülung derselben bzw. deren Füllung mit Frischluft bewirken.
In einem Ausführungsbeispiel ist die Spülöffnung relativ zu einem Abschnitt des Druckkanals derart angeordnet, dass bei Rotation des Drehkolbens der Druckkanal über den Umleitungskanal mit der Spülöffnung zur Spülung und Befüllung der Arbeitszelle mit Frischluft koppelbar ist. Dadurch kann nach einem Verbrennungsvorgang in einem Winkelteilbereich der Drehung des Drehkolbens das Verbrennungsgas aktiv aus der Arbeitszelle gefördert und für den nächsten Verbrennungsvorgang benötigte Frischluft in die Arbeitszelle eingebracht werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist im Gehäuse ein drehbar gelagerter Laufring vorgesehen, gegenüber dem die Schieber stirnseitig zur Anlage gelangen. Der Laufring bildet vorzugsweise eine radial außenseitige Begrenzung für die Arbeitszellen bzw. die Gebläsezellen. Durch diesen Laufring können vorteilhafterweise die Reibungseffekte der Schieber gegenüber dem Gehäuse verringert werden.
In einem Ausführungsbeispiel ist der Laufring frei mitlaufend ausgebildet oder mit dem Drehkolben antriebsmäßig gekoppelt, um diesen mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Winkelgeschwindigkeit anzutreiben. Dadurch läuft der Laufring mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Drehzahl mit dem Drehkolben mit, so dass die Reibung zwischen dem Laufring und den Schiebern des Drehkolbens weiter verringert werden kann.
In einem Ausführungsbeispiel sind die die Arbeitszellen begrenzenden Schieber jeweils aus einem Paar von Schieberplatten gebildet sind, die relativ zueinander federbelastet sind, und zwar derart, dass diese in axialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Drehkolbens gegen einander gegenüberliegende, den Gehäuseinnenraum begrenzende Wandungen, insbesondere durch die Gehäuseseitendeckel gebildete Wandungen gedrückt werden. Dadurch kann eine Abdichtung der Arbeitszellen in axialer Richtung gegenüber den den Gehäuseinnenraum begrenzenden Wandungsabschnitten erreicht werden.
In einem Ausführungsbeispiel weisen die Arbeitszellen jeweils eine karlotten- oder wannenförmige Ausnehmung auf. Dadurch kann eine vorteilhafte Form der in den Arbeitszellen vorhandenen Verbrennungsräume erreicht werden, und zwar insbesondere eine an die Kugelform angenäherte Form.
Der Rotationskolbenmotor arbeitet vorzugsweise als Zweitaktmotor.
Weiterhin weist der Rotationskolbenmotor vorzugsweise zumindest eine Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff auf. Alternativ kann auch eine Kraftstoffzuführung über einen Vergaser erfolgen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Rotationskolbenmotors. Der Rotationskolbenmotor umfasst ein Gehäuse mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuseinnenraum und einen in dem Gehäuse drehbar gelagerten Drehkolben. Am Drehkolben sind umfangsseitig verteilt mehrere Schieber vorgesehen, die zumindest mit einer Bewegungsrichtungskomponente in radialer Richtung im Drehkolben verschiebbar geführt sind und mittels denen in einem Zwischenraum zwischen Drehkolben und dem Gehäuse mehrere umfangsseitig um den Drehkolben herum verteilt angeordnete Motorzellen begrenzt werden. Ein erster Teil der Motorzellen wird als Arbeitszellen betrieben, innerhalb denen die Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Ein zweiter Teil der Motorzellen wird als Gebläsezellen betrieben, mittels denen den Arbeitszellen Luft für ein Spülen des Verbrennungsraums und für einen nachfolgenden weiteren Verbrennungsvorgang zugeführt wird.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens werden die Arbeitszellen lastunabhängig mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Ladungsmenge an Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben. Da der Wirkungsgrad des Motors bei konstanter Ladungsmenge, insbesondere bei konstant hoher Ladungsmenge am größten ist, kann dadurch der Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens wird lastabhängig die Anzahl der mit einem Treibstoff-Luft-Gemisch gefüllten und zum Verbrennungsprozess genutzten Arbeitszellen variiert. Damit kann die Leistung des Motors durch Zu- bzw. Abschalten von Arbeitszellen an den benötigten Leistungsbedarf angepasst werden.
Die Ausdrücke „näherungsweise“, „im Wesentlichen“ oder „etwa“ bedeuten im Sinne der Erfindung Abweichungen vom jeweils exakten Wert um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

1 beispielhaft ein Ausführungsbeispiel eines Rotationskolbenmotors in einer Draufsichtdarstellung bei abgenommenem Seitendeckel;
2 beispielhaft der Rotationskolbenmotor gemäß 1 in einer seitlichen Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A;
3 beispielsweise ein Paar von Schieberplatten in einer Draufsichtdarstellung;
4 beispielsweise ein Paar von Schieberplatten in einer stirnseitigen Darstellung auf die Längsseiten der Schieberplatten; und
5 beispielsweise ein Paar von Schieberplatten in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A in 3

In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Rotationskolbenmotor 1 in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt.
Der Rotationskolbenmotor 1 umfasst ein Gehäuse 2, in dem ein drehbar um eine Drehachse DA gelagerter Drehkolben 3 vorgesehen ist.
Die Drehachse DA des Drehkolbens 3 verläuft zentriert durch den Drehkolben 3 bzw. dessen Drehkolbenbasisteil 3.1, jedoch exzentrisch bezogen auf das Gehäuse 2 bzw. dessen kreisförmigen Gehäuseinnenraum 2.1.
Das Gehäuse 2 wird durch ein ringförmig oder im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Gehäusemittelteil 2.2 und ein Paar von seitlich an diesem Gehäusemittelteil 2.2 angeordneten Gehäuseseitendeckeln 2.3, 2.4 gebildet. Im zusammengesetzten Zustand des Gehäuses wird damit im Gehäuseinnenraum 2.1 ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Raum begrenzt.
Der Drehkolben 3 weist eine Vielzahl von Schiebern, 3.1, 3.2 auf, mittels denen im Gehäuseinnenraum 2.1 eine Vielzahl von Motorzellen 4 gebildet und voneinander abgetrennt wird. Ein Teil der Motorzellen 4 bildet dabei Arbeitszellen 4.1, in denen die Verbrennungsvorgänge vollzogen werden, ein anderer Teil der Motorzellen 4 bildet Gebläsezellen 4.2, in denen keine Verbrennungsvorgänge vollzogen werden. Diese Gebläsezellen 4.2 dienen dem Ansaugen von Frischluft, um diese anschließend in die Arbeitszellen 4.1 zur Frischluftzufuhr und Spülung überführen zu können.
Eine weitere Aufgabe der Gebläsezellen 4.2 besteht - neben einer im Gehäuse 2 vorgesehenen Wasserkühlung - in einer luftbasierten Kühlung des Rotationskolbenmotors 1.
In Drehrichtung DR des Drehkolbens 3 aufeinanderfolgende Arbeitszellen 4.1 sind gegeneinander jeweils durch zumindest eine Gebläsezelle 4.2 abgegrenzt, d.h. es befindet sich zumindest eine Gebläsezelle 4.2 zwischen den in Drehrichtung DR des Drehkolbens 3 aufeinanderfolgenden Arbeitszellen 4.1. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind jeweils zwei Gebläsezellen 4.2 zwischen den Arbeitszellen 4.1 vorgesehen. Es versteht sich, dass abhängig von der Größe und dem Leistungsbedarf des Rotationskolbenmotors 1 auch mehr als zwei Gebläsezellen 4.2 zwischen den aufeinander folgenden Arbeitszellen 4.1 vorgesehen sein können.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Arbeitszellen 4.1 umfangsseitig gleichmäßig verteilt am Drehkolben 3 vorgesehen. Dabei liegen jeweils Paare von Arbeitszellen 4.1 diametral gegenüber. Es versteht sich, dass abhängig von der Größe und dem Leistungsbedarf des Rotationskolbenmotors 1 auch mehr oder weniger Arbeitszellen 4.1 am Drehkolben 3 vorgesehen sein können. So können bei niedrigerem Leistungsbedarf beispielsweise lediglich zwei Arbeitszellen 4.1 vorgesehen sein, die beispielsweise diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
Die Schieber 3.1, 3.2 sind in dem Drehkolbenbasisteil 3a verschiebbar geführt und können sich bezogen auf die Drehachse DA radial nach innen bzw. nach außen bewegen. Bei Rotation des Drehkolbens 3 werden die Schieber 3.1, 3.2 durch die Fliehkräfte nach außen vorgeschoben und liegen dort an einer Gehäuseinnenwandung des Gehäusemittelteils 2.2, vorzugsweise aber an einer Innenseite eines Laufrings 10 an, der um eine parallel zur Drehachse DA verlaufende Achse drehbar gelagert ist. Der Laufring 10 kann beispielsweise über Nadellager oder aber eine Gleitpassung mit hydrodynamischer Ölschmierung in dem Gehäuse 2 gelagert sein. Der Laufring 10 kann durch die Schieber 3.1, 3.2 bedingt mitbewegt werden oder antriebsmäßig mit dem Drehkolben gekoppelt sein, beispielsweise durch einen geeigneten Antriebsstrang. Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Laufring 10 außenseitig eine Verzahnung auf, in die ein Antriebsrad 16 eingreift. Dieses Antriebsrad 16 ist über eine Welle und weitere Antriebsmittel (beispielsweise eine Kette, einen Riemen oder ein Getriebe) mit der Welle verbunden, an der der Drehkolben 3 drehbar gelagert ist. Dadurch wird der Laufring 10 mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Winkelgeschwindigkeit wie der Drehkolben 3 bewegt, so dass die Reibungseffekte der Schieber 3.1, 3.2 an dem Laufring 10 wesentlich minimiert sind.
Wie vorher beschrieben, ist der Drehkolben 3 exzentrisch im Gehäuseinnenraum 2.1 vorgesehen. Durch diese exzentrische Anordnung werden die Schieber 3.1, 3.2 bei Rotation des Drehkolbens 3 in das Drehkolbenbasisteil 3a eingeschoben bzw. aus diesem herausbewegt. Zudem ändert sich das Volumen der Motorzellen 4 bei Rotation des Drehkolbens 3, und zwar derart, dass sich das Volumen in einem ersten Drehwinkelbereich einer Umdrehung des Drehkolbens 3 vergrößert und in einem zweiten Drehwinkelbereich einer Umdrehung des Drehkolbens 3 verkleinert. Unter „Volumen der Motorzellen 4“ wird dabei der Raumbereich verstanden, der radial innenseitig durch das Drehkolbenbasisteil 3a bzw. dort vorgesehene Dichtleisten 11, radial außenseitig durch den Laufring 10 und seitlich durch die Schieber 3.1, 3.2 begrenzt wird.
Wie in 1 erkennbar, ist im Gehäuse 2, insbesondere im Gehäuseseitendeckel 2.3, ein Lufteinlass 12 vorgesehen. Dieser Lufteinlass 12 ist mit einem ebenfalls im Gehäuseseitendeckel 2.3 vorgesehenen Saugkanal 7 verbunden, so dass Luft über den Lufteinlass 12 in den Saugkanal 7 einströmen kann.
Der Saugkanal 7 erstreckt sich über einen Winkelteilbereich, wobei dieser Winkelteilbereich beispielsweise größer als 90° und kleiner als 180° ist. Der Saugkanal 7 ist bogenförmig ausgebildet und verläuft vorzugsweise mit einem festen radialen Abstand zur Drehachse DA. Der radiale Abstand ist derart gewählt, dass der Saugkanal 7 durch das Drehkolbenbasisteil 3a überdeckt wird. In anderen Worten ist der radiale Abstand des Saugkanals 7 zur Drehachse DA kleiner als der Radius des Drehkolbenbasisteils 3a.
Der Saugkanal 7 weist zum Gehäuseinnenraum 2.1 hin mehrere Saugkanalöffnungen 7.1 auf. Diese Saugkanalöffnungen 7.1 sind beabstandet zueinander angeordnet und öffnen damit partiell den Saugkanal 7 zum Gehäuseinnenraum 2.1 hin.
In dem Drehkolbenbasisteil 3a sind mehrere Stichkanäle 5 vorgesehen. Die Stichkanäle 5 sind dabei den Gebläsezellen 4.2 zugeordnet, d.h. jeweils zumindest ein Stichkanal 5 ist in einem Winkelbereich des Drehkolbens 3 vorgesehen, in dem sich auch eine Gebläsezelle 4.2 befindet. Es versteht sich, dass auch mehr als ein Stichkanal 5 pro Gebläsezelle 4.2 vorgesehen sein kann.
Der Stichkanal 5 verläuft im Drehkolbenbasisteil 3a radial oder winklig nach außen und weist eine erste Öffnung auf, die im gleichen radialen Abstand zur Drehachse DA vorgesehen ist wie die Saugkanalöffnungen 7.1. Zudem weist das Drehkolbenbasisteil 3a eine zweite Öffnung auf, über die sich der Stichkanal 5 zum Innenraum der Gebläsezelle 4.2 hin öffnet. Durch die beschriebene Anordnung des Stichkanals 5, des Saugkanals und dessen Saugkanalöffnungen 7.1 kann bei Rotation des Drehkolbens in einem Winkelteilbereich des Drehwinkels des Drehkolbens 3 die in den Gebläsezellen 4.2 durch die Volumenvergrößerung erreichte Sogwirkung dazu verwendet werden, Luft vom Lufteinlass 12 über den Saugkanal 7 und den Stichkanal 5 in die Gebläsezellen 4.2 einzusaugen.
In einem dem Saugkanal 7 diametral bezogen auf die Drehachse DA gegenüberliegenden Bereich ist ein Druckkanal 6 vorgesehen. Der Druckkanal 6 erstreckt sich über einen Winkelteilbereich, wobei dieser Winkelteilbereich beispielsweise größer als 90°, vorzugsweise größer als 120° ist. Der Druckkanal 6 ist partiell bogenförmig ausgebildet und verläuft in einem ersten Abschnitt 6a des Druckkanals 6 vorzugsweise mit einem festen radialen Abstand zur Drehachse DA. Ein zweiter Abschnitt 6b des Druckkanals 6 ist ebenfalls bogenförmig ausgebildet aber radial nach innen versetzt, d.h. weist einen kleineren radialen Abstand zur Drehachse DA auf als der erste Abschnitt 6a. Der radiale Abstand beider Abschnitte 6a, 6b des Druckkanals 6 ist derart gewählt, dass der Druckkanal 6 durch das Drehkolbenbasisteil 3a überdeckt wird. In anderen Worten ist der radiale Abstand des Druckkanals 6 zur Drehachse DA kleiner als der Radius des Drehkolbenbasisteils 3a.
Der Druckkanal 6 weist zum Gehäuseinnenraum 2.1 hin mehrere Druckkanalöffnungen 6.1 auf. Diese Druckkanalöffnungen 6.1 sind beabstandet zueinander angeordnet und öffnen damit partiell den Druckkanal 6 zum Gehäuseinnenraum 2.1 hin.
Die radial innenliegenden ersten Öffnungen der Stichkanäle 5 sind im gleichen radialen Abstand zur Drehachse DA vorgesehen wie die Druckkanalöffnungen 6.1. Dadurch kann bei Rotation des Drehkolbens 3 in einem Winkelteilbereich des Drehwinkels des Drehkolbens 3 die in den Gebläsezellen 4.2 enthaltene Luft bedingt durch die Volumenverkleinerung der Gebläsezellen 4.2 über die Stichkanäle 5 und die Druckkanalöffnungen 6.1 in den Druckkanal 6 gedrückt und komprimiert werden. Hierbei entstehen vorzugsweise Drücke kleiner als 1bar.
Im Winkelbereich zwischen dem Saugkanal 7 und dem ersten Abschnitt 6a des Druckkanals 6 sind zumindest eine, vorzugsweise mehrere Spülöffnungen 9 vorgesehen. In demselben Winkelbereich, in dem die Spülöffnungen 9 angeordnet sind, ist zudem der zweite Abschnitt 6b des Druckkanals 6 vorgesehen.
Der Drehkolben, insbesondere das Drehkolbenbasisteil 3a weist im Bereich der Arbeitszellen 4.1 jeweils zumindest einen Umleitungskanal 8 auf, über den der zweite Abschnitt 6b des Druckkanals 6 mit einer oder mehreren Spülöffnungen 9 verbindbar ist, und zwar dann, wenn sich die jeweilige Arbeitszelle 4.1 über die zumindest eine Spülöffnung 9 bewegt. Der Umleitungskanal 8 ist in dem Gehäuseseitendeckel vorgesehen und schafft durch seine beispielsweise bogenartige Form und radiale oder im Wesentliche radiale Ausrichtung eine Verbindung zwischen dem radial innenliegenden zweiten Abschnitt 6b des Druckkanals 6 und der radial außen liegenden Spülöffnung 9. Dadurch kann die im Druckkanal 6 unter Druck stehende Luft über die Spülöffnungen 9 in den Innenraum der Arbeitszelle 4.1 geleitet werden, um das in der Arbeitszelle 4.1 vorhandene Abgas vom vorhergehenden Verbrennungsvorgang über die am Gehäuseseitendeckel 2.4 vorgesehene Auslassöffnung 13 auszutreiben bzw. den Innenraum der Arbeitszelle 4.1 mit Frischluft für den nächsten Verbrennungsvorgang zu füllen.
Der Drehkolbenbasisteil 3a weist vorzugsweise radial außenseitig im Bereich der Arbeitszellen 4.1 wannenartige oder karlottenförmige Ausnehmungen 3.3 auf. Dadurch kann eine vorteilhafte Brennraumgeometrie in den Arbeitszellen 4.1 erreicht werden.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Rotationskolbenmotors 1 näher beschrieben:

Die Gebläsezellen 4.2 überfahren jeweils bei Rotation des Drehkolbens 3 mit den ihnen zugeordneten Stichkanälen 5 die Saugkanalöffnungen 7.1 des Saugkanals 7. Bei der Bewegung der jeweiligen Gebläsezelle 4.2 über den Saugkanal 7 vergrößert sich das Volumen des Innenraums der Gebläsezellen 4.2, so dass eine Sogwirkung entsteht, die ein Einsaugen von Luft über den Lufteinlass 12, den Saugkanal 7, die Saugkanalöffnungen 7.1 und die Stichkanäle 5 bewirkt. Dadurch werden die Gebläsezellen 4.2 beim Überstreichen des Winkelbereichs, der durch den Saugkanal 7 belegt ist, mit Frischluft gefüllt.

Bei der Bewegung der Gebläsezellen 4.2 über den Winkelbereich, der durch den ersten Abschnitt 6a des Druckkanals 6 belegt ist, verkleinert sich das Volumen der Gebläsezellen 4.2. Dadurch wird die in den Gebläsezellen 4.2 enthaltene Luft komprimiert und über die Stichkanäle 5 und die Druckkanalöffnungen 6.1 in den Druckkanal 6 gedrückt. Damit steht im Druckkanal 6 Frischluft unter Atmosphärenüberdruck (vorzugsweise kleiner als 1bar) bereit, der, wie nachfolgend beschrieben, zum Spülen der Arbeitszellen und zum Füllen derselben mit Frischluft verwendet werden kann.
Zur Beschreibung der Abläufe bei den Arbeitszellen 4.1 wird im Folgenden davon ausgegangen, dass die Arbeitszellen 4.1 nach dem Überfahren des Druckkanals 6 mit einem komprimierten Treibstoff-Luft-Gemisch gefüllt sind, das durch die Zündeinrichtung 14 gezündet wird. In diesem Bereich hat der Innenraum der Arbeitszelle 4.1 das kleinste Volumen und die Schieber 3.1 stehen lediglich mit geringem Überstand d (beispielsweise 1 mm oder weniger) gegenüber dem Drehkolbenbasisteil 3a vor.
Nach der Zündung expandiert das im Innenraum der Arbeitszelle 4.1 enthaltene Gas, was für den rotativen Antrieb des Drehkolbens 3 in Drehrichtung DR sorgt. Wird die Arbeitszelle 4.1 anschließend über die in Drehrichtung der Drehkolbens 3 gesehen erste Spülöffnung 9 bewegt, entspannt sich der in der Arbeitszelle 4.1 enthaltene Druck zunächst über die Auslassöffnung 13 (verbunden mit dem Auspuff). Anschließend wird über den Umleitungskanal 8 eine Verbindung zwischen dem zweiten Abschnitt 6b des Druckkanals 6 und dem Innenraum der Arbeitszelle 4.1 hergestellt, so dass die im Druckkanal 6 unter Druck bereitstehende Frischluft in den Innenraum der Arbeitszelle 4.1 strömen kann und damit das Abgas des Verbrennungsprozesses austreibt (Spülvorgang) und den Innenraum der Arbeitszelle 4.1 dabei mit Frischluft befüllt.
Beim Weiterbewegen der Arbeitszelle 4.1 nach dem Spülen und der Frischluftbefüllung passiert die Arbeitszelle 4.1 eine Einspritzdüse 17 oder eine Öffnung, über die Treibstoff dem Innenraum der Arbeitszelle 4.1 zugeführt wird.
Bei der Weiterbewegung der Arbeitszelle 4.1 nach dem Zuführen von Treibstoff wird das Treibstoff-Luft-Gemisch durch das sich verkleinernde Innenvolumen der Arbeitszelle 4.1 komprimiert und anschließend über die Zündeinrichtung gezündet. Damit beginnt der Prozess - wie zuvor beschrieben - von vorne.
Wie insbesondere in 1 zu erkennen, sind die Schieber 3.1, die die Arbeitszellen 4.1 begrenzen, unterschiedlich zu den Schiebern 3.2 ausgebildet, die die Gebläsezellen 4.2 begrenzen. Dies ist u.a. damit begründet, dass in den Arbeitszellen 4.1 bedingt durch den Verbrennungsprozess höhere Drücke und Temperaturen entstehen als in den Gebläsezellen 4.2.
Die Schieber 3.1 umfassen vorzugsweise zumindest zwei Schieberplatten 3.1.1, 3.1.2, wohingegen die Schieber 3.2 nur eine einzige Schieberplatte aufweisen.
3 bis 5 zeigen einen Schieber 3.1 mit zwei Schieberplatten 3.1.1, 3.1.2 in unterschiedlichen Ansichten. Die Schieberplatten 3.1.1, 3.1.2 sind derart miteinander gekoppelt, dass diese in radialer Richtung (bezogen auf die Drehachse DA) gesehen außenseitig bündig sind und damit beide stirnseitig gegenüber dem Laufring 10 anliegen.
In axialer Richtung (bezogen auf die Drehachse DA) sind die Schieberplatten 3.1.1, 3.1.2 relativ zueinander federbelastet durch eine Feder 15 vorgespannt, und zwar derart, dass die erste Schieberplatte 3.1.1 gegenüber der zweiten Schieberplatte 3.1.2 versetzt angeordnet ist. Durch diesen federbelasteten Versatz wird erreicht, dass eine Schieberplatte gegenüber dem Gehäuseseitendeckel 2.3 und die andere Schieberplatte gegenüber dem Gehäuseseitendeckel 2.4 zur Anlage gelangt, um die Arbeitszelle 4.1 auch in axialer Richtung (bezogen auf die Drehachse DA) abzudichten.
Der Rotationskolbenmotor 1 wird vorzugsweise derart betrieben, dass die Arbeitszellen stets mit der gleichen oder im Wesentlichen gleichen Menge an Treibstoff-Luftgemisch gefüllt werden. Dadurch kann eine hocheffiziente Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad erreicht werden.
Die Anpassung der Leistung des Rotationskolbenmotors 1 an den jeweiligen Bedarf erfolgt durch zu- bzw. Abschalten von Arbeitszellen 4.1. So kann beispielsweise im Leerlauf lediglich eine einzige Arbeitszelle 4.1 der umfangsseitig verteilt angeordneten, mehreren Arbeitszellen 4.1 aktiviert werden und es können dann - je nach Leistungsbedarf - weitere Arbeitszellen zugeschaltet werden. Auch ist es möglich, dass ein Umlauf des Drehkolbens 3 ohne Verbrennungsprozess erfolgt, d.h. dass beispielsweise nur alle x Umdrehungen ein Verbrennungsprozess in einer oder mehreren der umfangsseitig verteilt angeordneten Arbeitszellen 4.1 erfolgt.
Die Leistung des Rotationskolbenmotors 1 kann ferner dadurch geeignet dimensioniert werden, dass eine oder mehrere Drehkolben 3 kaskadiert und antriebsmäßig miteinander verbunden werden. Damit können mehrere Einheiten, wie in den 1 und 2 gezeigt, miteinander verkettet werden, so dass die Motorleistung an den jeweiligen Bedarf angepasst werden kann.
Der vorbeschriebene Rotationskolbenmotor 1 ist vorzugsweise als Zweitaktmotor ausgebildet und wird beispielsweise mit einem Treibstoff-Öl-Gemisch von 1:200 betrieben, um eine Schmierung der Schieber 3.1, 3.2 zu erreichen.
Bei kleineren Motoren ist ein feststehender, d.h. nicht mit dem Drehkolben 3 mitdrehender Laufring 10 möglich, der beispielsweise aus Hartbronze gefertigt ist. Die Schieber 3.1, 3.2 können hier aus einem gehärteten Material bestehen. In diesem Fall ist ein Betrieb des Motors mit einem Treibstoff-Öl-Gemisch im Bereich von beispielsweise 1:100 bis 1:200 vorgesehen.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass zahlreiche Änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne dass dadurch der der Erfindung zugrunde liegende, durch die Patentansprüche festgelegte Erfindungsgedanke verlassen wird.
Bezugszeichenliste

1: Rotationskolbenmotor
2: Gehäuse
2.1: Gehäuseinnenraum
2.2: Gehäusemittelteil
2.3: Gehäuseseitendeckel
2.4: Gehäuseseitendeckel
3: Drehkolben
3a: Drehkolbenbasisteil
3.1: Schieber
3.1.1: Schieberplatte
3.1.2: Schieberplatte
3.2: Schieber
3.3: Ausnehmung
4: Motorzelle
4.1: Arbeitszelle
4.2: Gebläsezelle
5: Stichkanal
6: Druckkanal
6a: erster Abschnitt des Druckkanals
6b: zweiter Abschnitt des Druckkanals
6.1: Druckkanalöffnung
7: Saugkanal
7.1: Saugkanalöffnung
8: Umleitungskanal
9: Spülöffnung
10: Laufring
11: Dichtleiste
12: Lufteinlass
13: Auslassöffnung
14: Zündeinrichtung
15: Feder
16: Antriebsrad
17: Einspritzdüse
d: Überstand
DA: Drehachse
DR: Drehrichtung

Claims

Rotationskolbenmotor umfassend ein Gehäuse (2) mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuseinnenraum (2.1) und einen in dem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Drehkolben (3), wobei am Drehkolben (3) umfangsseitig verteilt mehrere Schieber (3.1, 3.2) vorgesehen sind, die zumindest mit einer Bewegungsrichtungskomponente in radialer Richtung im Drehkolben (3) verschiebbar geführt sind und mittels denen in einem Zwischenraum zwischen Drehkolben (3) und dem Gehäuse (2) mehrere umfangsseitig um den Drehkolben (3) herum verteilt angeordnete Motorzellen (4) begrenzt werden, wobei ein erster Teil der Motorzellen (4) als Arbeitszellen (4.1) ausgebildet sind, innerhalb denen zeitweise eine Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemisches erfolgt und dass ein zweiter Teil der Motorzellen (4) als Gebläsezellen (4.2) ausgebildet ist, mittels denen den Arbeitszellen (4.1) Luft für ein Spülen eines Verbrennungsraums der Arbeitszellen (4.1) und für einen nachfolgenden weiteren Verbrennungsvorgang zuführbar ist.
Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (3) ein Drehkolbenbasisteil (3a) mit einer konzentrisch in diesem Drehkolbenbasisteil (3a) angeordneten Lagerstelle oder Wellenaufnahme aufweist.
Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) eine exzentrisch angeordnete Lagerstelle für den Drehkolben (3) aufweist.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass umfangsseitig verteilt und durch zumindest eine Gebläsezelle (4.2) zueinander beabstandet zumindest zwei Arbeitszellen (4.1) vorgesehen sind.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehkolbenbasisteil (3a) pro Gebläsezelle (4.2) zumindest einen Stichkanal (5) aufweist, über den eine Gebläsezelle (4.2) mit einem im Gehäuse (2) vorgesehenen Druckkanal (6) und/oder Saugkanal (7) verbindbar ist.
Rotationskolbenmotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein Saugkanal (7) vorgesehen ist, in dem beabstandet zueinander mehrere Saugkanalöffnungen (7.1) eingebracht sind und dass die Saugkanalöffnungen (7.1) derart angeordnet sind, dass bei Rotation des Drehkolbens (3) der Saugkanal (7) über die Saugkanalöffnungen (7.1) und den Stichkanal (5) mit dem Innenraum der Gebläsezelle (4.2) verbindbar ist.
Rotationskolbenmotor nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein Druckkanal (6) vorgesehen ist, in dem beabstandet zueinander mehrere Druckkanalöffnungen (6.1) eingebracht sind und dass die Druckkanalöffnungen (6.1) derart angeordnet sind, dass bei Rotation des Drehkolbens (3) der Druckkanal (6) über die Druckkanalöffnungen (6.1) und den Stichkanal (5) mit dem Innenraum der Gebläsezelle (4.2) verbindbar ist.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehkolbenbasisteil (3a) pro Arbeitszelle (4.1) zumindest einen Umleitungskanal (8) aufweist, der zur Kopplung eines im Gehäuse (2) vorgesehenen Druckkanals (6) mit einer im Gehäuse (2) vorgesehenen Spülöffnung (9) ausgebildet ist.
Rotationskolbenmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülöffnung (9) relativ zu einem Abschnitt (6b) des Druckkanals (6) derart angeordnet ist, dass bei Rotation des Drehkolbens (3) der Druckkanal (6) über den Umleitungskanal (8) mit der Spülöffnung (9) zur Spülung und Befüllung der Arbeitszelle (4.1) mit Frischluft koppelbar ist.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (2) ein drehbar gelagerter Laufring (10) vorgesehen ist, gegenüber dem die Schieber (3.1, 3.2) stirnseitig zur Anlage gelangen.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laufring (10) frei mitlaufend ausgebildet ist oder mit dem Drehkolben (3) antriebsmäßig gekoppelt ist, um diesen mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Winkelgeschwindigkeit anzutreiben.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die die Arbeitszellen (4.1) begrenzenden Schieber (3.1) jeweils aus einem Paar von Schieberplatten (3.1.1, 3.1.2) gebildet sind, die relativ zueinander federbelastet sind, und zwar derart, dass diese in axialer Richtung bezogen auf die Drehachse (DA) des Drehkolbens (3) gegen einander gegenüberliegende, den Gehäuseinnenraum begrenzende Wandungen gedrückt werden.
Rotationskolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitszellen (4.1) jeweils eine karlotten- oder wannenförmige Ausnehmung (3.3) aufweisen.
Verfahren zum Betreiben eines Rotationskolbenmotors (1), wobei der Rotationskolbenmotor (1) ein Gehäuse (2) mit einem im Querschnitt kreisförmigen Gehäuseinnenraum (2.1) und einen in dem Gehäuse (2) drehbar gelagerten Drehkolben (3) umfasst, wobei am Drehkolben (3) umfangsseitig verteilt mehrere Schieber (3.1, 3.2) vorgesehen sind, die zumindest mit einer Bewegungsrichtungskomponente in radialer Richtung im Drehkolben (3) verschiebbar geführt sind und mittels denen in einem Zwischenraum zwischen Drehkolben (3) und dem Gehäuse (2) mehrere umfangsseitig um den Drehkolben (3) herum verteilt angeordnete Motorzellen (4) begrenzt werden, wobei ein erster Teil der Motorzellen (4) als Arbeitszellen (4.1) betrieben wird, innerhalb denen die Verbrennung eines Treibstoff-Luft-Gemisches erfolgt und dass ein zweiter Teil der Motorzellen (4) als Gebläsezellen (4.2) betrieben wird, mittels denen den Arbeitszellen (4.1) Luft für ein Spülen des Verbrennungsraums der Arbeitszellen (4.1) und für einen nachfolgenden weiteren Verbrennungsvorgang zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitszellen (4.1) lastunabhängig mit gleicher oder im Wesentlichen gleicher Ladungsmenge an Treibstoff-Luft-Gemisch betrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass lastabhängig die Anzahl der mit einem Treibstoff-Luft-Gemisch gefüllten und zum Verbrennungsprozess genutzten Arbeitszellen (4.1) variiert wird.