DE10223145A1 - Rotationsverbrennungskraftmaschine - Google Patents

Rotationsverbrennungskraftmaschine

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DE10223145A1 DE10223145A DE10223145A DE10223145A1 DE 10223145 A1 DE10223145 A1 DE 10223145A1 DE 10223145 A DE10223145 A DE 10223145A DE 10223145 A DE10223145 A DE 10223145A DE 10223145 A1 DE10223145 A1 DE 10223145A1
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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Description

    Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft eine axiale Verbrennungskraftmaschine, die im techn. Bereich als Antriebsmaschine eingesetzt werden kann.
  • Ausserdem kann diese Maschine durch einige Änderungen, die das Hauptprinzip nicht betreffen, als Dampfmaschine, Kompressor oder Pumpe verwendet werden.
    • Zweck
  • Diese neue Art der Verbrennungskraftmaschine sollte als Alternative zu den z. Zeit vorhandenen Verbrennungskraftmaschinen darstellen.
    • Stand der Technik und Kritik
  • Nach dem heutigen Stand der Technik gibt es hauptsächlich zwei Arten von Verbrennungskraftmaschine: den Hubkolbenmotor (2- und 4 Takt) auch Otto-Motor genannt und den Kreiskolbenmotor auch Wankel- Motor genannt. Von den beiden oben genannten Motoren ist der Otto-Motor als Benziner oder Diesel am verbreitesten und findet in der Automobilbranche hauptsächlich seine Anwendung.
    • Nachteile des 2-Takt Otto-Motors
    • - Höherer Kraftstoffverbrauch bis etwa Halblast und besonders bei Vollast infolge der Spül- und Ladeverluste bei Vergaserbetrieb.
    • - Höhere Wärmebelastung wegen fehlender Leerhübe und schwieriger Wärmeabfuhr.
    • - Schlechteres Drehmoment bei kleinen Drehzahlen.
    • - Aussetzungsreicher Leerlauf.
    • - Meist unvollkommener Massenausgleich.
    • - Starke Geräuschentwicklung.
    • - Umweltbelastende Abgase (Benzin-Ölgemisch).
    • - Schlechter Wirkungsgrad durch Kühlung
    • - Funktion nur mit Zündung
    Nachteile des 4-Takt Ottomotors
    • - Triebwerk nur halb ausgenutzt, weil für ein Arbeitsspiel zwei Kurbelwellenumdrehungen nötig sind.
    • - Gleichförmigkeitsgrad gering.
    • - Der mechan. Wirkungsgrad wird durch die zwei Leerhübe und Ventilsteuerung herabgesetzt.
    • - Schlechter Wirkungsgrad durch Kühlung.
    • - Funktion nur mit Zündung.
    Nachteile des Dieselmotors
    • - Schlechte Verbrennungsverlauf weil Kraftstoff erst eingespritzt werden kann wenn die Luft auf 30-50 bar verdichtet und dadurch die Temperatur auf 700-900° erhitzt ist. Die Früheinspritzung verursacht klopfen.
    • - Späteinspritzung unvollständige Verbrennung.
    • - Beim Kaltstart sind Glühkerzen notwendig.
    • - Zu laute Einspritzpumpen.
    • - Schlechter Wirkungsgrad durch Kühlung.
  • Nachteile des Wankel-Motors
    • - Abdichtungsprobleme an der Kreiskolben-Verbrennungskammer.
    • - unruhiger Lauf durch unzentrische Kreiskolbenbewegung.
    • - Ungünstiger Drehmomentverlauf.
    • - Ungünstiger Wirkungsgrad.
    • - Schlechte Verbrennung (Abgase).
    • - Hohe Herstellungskosten.
    • - Schlechter Wirkungsgrad durch Kühlung,
    • - nur mit Zündung.
    Aufgabe
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, die vorher genannten Nachteile der bisherigen Motoren teilweise oder ganz zu beseitigen, um dadurch einen wirtschaftlicheren Motor zu erhalten. Die Konstruktion bietet auch eine geeignete Voraussetzung für die Verwendung von hochentwickelten neuen Werkstoffen wie Keramik. Dadurch können die Reibung und die Kühlung auf eine Minimum reduziert und höhere Betriebstemperaturen erreicht werden. Durch die zusätzliche Wassereinspritzung ist auch eine Kraftstoffeinsparung möglich.
  • Lösung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss den Patentansprüchen in Verbindung mit den durch Fig. 1-14 dadurch gelöst, dass zwei ineinander drehende zylindrische Teile, welche jeweils gegenseitig einen Flügel besitzen, sich frei um eine Achse drehen. Durch die unterschiedlichen Drehgeschwindigkeiten entstehen pro Scheibe (Fig. 1) 2 Arbeitsräume, die denen des 4-Takt-Motors ähneln (s. Fig. 2 und die dazugehörenden Schnitte Fig. 2.1 und 2.2 - Teile 1-5). Die entstehenden Arbeitsräume können an beliebiger Stelle des Zylinderumfanges auftreten.
  • Um einen ruhigeren Lauf zu ermöglichen werden zwei Kammern, hier Scheiben genannt, wie beim Wankel- Motor hintereinander, jedoch um 180° versetzt angeordnet. Die Steuerung erfolgt durch einen Schrittmotor, der über eine Steuerwelle, die mit der Innenzylinder-Hohlwelle und mit der Impulsgeberscheibe, die mit der Aussenzylinder-Hohlwelle der Kraftmaschine verbunden ist.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Fig. 1-14 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1 eine Rotationsverbrennungskraftmaschine im Längsschnitt, bestehend aus 3 Scheiben mit je einem Aussenzylinder mit Flügel und einem gemeinsamen Innenzylinder mit je 1 Flügel pro Scheibe, wobei die Scheibe 3 als Verdichter bzw. auch als Anlaufhilfe und die Scheibe 1 + 2 als Arbeitszylinder der Maschine zu verstehen sind.
  • Des weiteren bestehend aus Steuerungsbüchse mit Bewegungselementen welche sich axial um den feststehenden Zylinderkern mit Ansaug- und Auslasskanälen drehen, sowie ein dazugehörendes Rückhaltesystem, Kraftübertragungselemente und einem mitdrehendem Schrittmotor 62 für die Steuerung.
  • Fig. 2 ein Explosionsschaubild der Maschine analog zu Fig. 1 und Fig. 1.1 mit den Schnitten A-D, jedoch ohne Steuerungselemente, Rückhalte- und Kraftübertragungselemente.
  • Fig. 2.1 und 2.2 einen Querschnitt durch Scheibe 1 der Maschine mit 2 Arbeitsräumen, bestehend aus Aussenzylinder mit Flügel, Innenzylinder mit Flügel, Steuerungsbüchse mit Dichtleisten bzw. Dichtringe und feststehendem Zylinderkern mit den dazu gehörenden Dichtringen. Schnitt A-A nach Fig. 2.1 zeigt die Ansaugebene und Schnitt B-B nach Fig. 2.2 zeigt die Auslassebene von Scheibe 1
  • Fig. 2a 3 D-Teil-Perspektive v. Fig. 2 jedoch ohne Steuerungsbüchse und Zylinderkern.
  • Fig. 2b die Steuerungsbüchse mit Einlass- und Auslassöffnungen, sowie Kanäle für Dichtleisten und Dichtringe + Innenzylinder in 3D Perspektive.
  • In diesem Beispiel ist der Umfang der Steuerungsbüchse auf 12 Segmente a' 30° aufgeteilt und besitzt in den Bereichen von 1. und 2. Scheibe, in jedem 4. Segment 1 Öffnung. Diese Aufteilung von 30° muss auch identisch an den Öffnungen vom Innenzylinder sein.
  • Auslassöffnungen sind funktionstechnisch jedoch um 1 Segment = 30° entgegen der Drehrichtung versetzt, da der Schrittmotor um 30° zurücktaktet. Das gleiche ist auch in die Drehrichtung möglich, jedoch nicht vorteilhaft.
  • In der Scheibe 2 sind die Öffnungen analog zu Scheibe 1, jedoch um 180° versetzt, somit bei jeder Drehung (Hub) alle 4 Takte stattfinden können.
  • In der Scheibe 3, welche als Verdichter eingesetzt wird, sind die Öffnungen in jedem 2. Segment = 60° und die Auslassreihe um 30° versetzt angebracht.
  • Fig. 3-10a die verschiedenen Stellungsbilder zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der in Fig. 1-2.2 gezeigten Maschine:
  • Fig. 3-6a von Scheibe 1
  • Fig. 7-10a von Scheibe 2, jedoch um 180° versetzt.
  • Es sei zunächst auf die Scheibe 1 Fig. 3-6a bezug genommen.
  • In der Scheibe 1 entstehen 2 Arbeitsräume, die als Arbeitsraum "A" und "B" bezeichnet werden. In Fig. 3-6 (Schnitt A-A) sind die Arbeitsspiele der Räume "A", "B" in der Ansaugebene und in Fig. 3a-6a (Schnitt B-B) die Räume "A", "B" in der Auslassebene, dargestellt.
  • Es zeigen:
  • Fig. 3-3a Beginn des Taktes Ansaugen im Arbeitsraum "A", Verdicht. im Raum "B"
  • Fig. 4-4a Beginn des Taktes Verdichten im Arbeitsraum "A" Arb.-Hub im Raum "B"
  • Fig. 5-5a Beginn des Taktes Verbrennen im Arbeitsraum "A" Auslassen im Raum "B"
  • Fig. 6-6a Beginn des Taktes Auslassen im Arbeitsraum "A" Ansaugen im Raum "B"
  • In Scheibe 2, dargestellt in den Fig. 7-10 u. 7a-10a, (Schnitte C-C + D-D) mit den Arbeitsräumen "C" und "D", laufen analog zu Scheibe 1 die gleichen Arbeitsspiele ab, jedoch um 180° versetzt, so dass bei jeder vollständigen Flügeldrehung alle 4 Takte (Arbeitsspiele) in den Arbeitsräumen "A-D" stattfinden.
  • Dies sei an den folgenden Beispielen erläutert:


  • Dies wird durch Steuerungselemente erreicht, welche die Ansaug- und Auslasskanäle so steuern (im Beispiel 30°), dass in jedem Arbeitsraum von "A-D" alle 4 Arbeitsspiele stattfinden können.
  • Es zeigen:
  • Fig. 11 den feststehenden Zylinderkern mit Ansaug- und Auslassöffnungen, Bohrungen für Kraftstoffund Wasserzuführungen, sowie Kanäle für Dichtringe.
  • Fig. 12 Rückhaltesystem bestehend aus 2 feststehenden Aussen-Schaufelrädern 30 und einem in der Mitte mit Freilauf gelagertem doppelseitigem Schaufelrad 32, das gegen Rückwärtsdrehung gesperrt ist. Des weiteren sind an den Hohlwellen 17/18 fest verbundene Schaufelräder mit beweglichen Schaufeln angebracht.
  • Die Schaufelräder laufen in einem Ölmedium, ähnlich Automatikgetriebe bzw. Retarder-Strömungsbremse. Bei der Vorwärtsdrehung des betreffenden Schaufelrades im Ölmedium klappen die Schaufeln zu und leisten dadurch keinen Widerstand. Gleichzeitig gehen die Schaufeln des anderen Schaufelrades durch die Ölströmung auf und bremsen das Rad ab und beschleunigen das Gegenrad umso mehr. Das wiederholt sich bei jedem Arbeitshub neu im Wechsel.
  • Fig. 13 einen Querschnitt (Schnitt E-E) durch die Kraftübertragungselemente der Maschine, bestehend aus Hohlwelle 57, sowie Planetengetriebe, bestehend aus Hohlzahnrad 51, das mit Zahnrad 38 komplett mitdreht, Planetenzahnräder 52, 53 mit 2 verschiedenen angepassten Durchmessern und die dazugehörenden Wellen 56 und Sonnenzahnräder 54. Durch im Wechsel angetriebenen Zahnrädern von 51/57 entsteht am Nutzkraftrad 55 eine gleichmässige Drehbewegung in die gleiche Richtung.
  • Zum Anlassen Nutzkraftrad 55 antreiben und mit Hilfe einer Magnetkupplung muss eine Hohlwelle bis zum Arbeitshub gehalten werden. Das Anlassen kann auch mit Druckluft in Scheibe 3 (Verdichter) erfolgen.
  • Bei der Ausführung nach Fig. 1.1, bei dem ein Strom-Generator 58 angetrieben wird, kann das Planetengetriebe entfallen.
  • Der Strom-Generator kann auch in umgekehrter Wirkungsweise als Anlasshilfe dienen.
  • Fig. 14 Impulsgeberscheibe bzw. Winkelcodierer 60 für Schrittmotor 62 der mit der Übertragungshohlwelle 18 aussen über die Zahnräder 25, 37, 38 angetrieben wird.
  • Impulsgeberscheibe bzw. Winkelcodierer 61 für Schrittmotor der mit der Übertragungshohlwelle 17 innen über die Zahnräder 27, 37, 39 angetrieben wird. Stückliste 1 Aussenzylinder für Scheibe 1
    2 Flügel von Aussenzylinder für Scheibe 1
    3 Innenzylinder für Scheibe 1, 2, 3
    4 Flügel von Innenzylinder für Scheibe 1
    5 Scheibentrennwände
    6 Aussenzylinder für Scheibe 2
    7 Flügel von Aussenzylinder für Scheibe 2
    8 Flügel von Innenzylinder für Scheibe 2
    9 Aussenzylinder für Scheibe 3
    10 Flügel von Aussenzylinder für Scheibe 3
    11 Flügel von Innenzylinder für Scheibe 3
    12 Steuerungsbüchse
    13 Zylinderkern mit Ansaug- und Auslasskanälen
    14 Dichtleiste-Steuerungsbüchse
    15 Dichtringe-Steuerungsbüchse
    16 Dichtringe-Zylinderkern
    17 Übertragungshohlwelle-"INNEN"
    18 Übertragungshohlwelle-"AUSSEN"
    19 Lager für Übertragunshohlwelle-"AUSSEN"
    20 Lager mit Freilauf für Schaufelrad
    21 Lagerung für 12 und Halterung für 13
    26 Zahn- bzw. Riemenrad für Übertragungshohlwelle-"AUSSEN"
    27 Zahn- bzw. Riemenrad für Übertragungshohlwelle-"INNEN"
    28 Schaufelrad mit beweglichen-Flügeln für Übertragungshohlwelle-"AUSSEN"
    29 Schaufelrad mit beweglichen Flügeln für Übertragungshohlwelle-"INNEN"
    30 Feststehende äussere Schaufeln
    31 Lager mit Freilauf für Übertragungshohlwelle für "INNEN"
    32 Beidseitiges Schaufelrad eventl. mit Lager und Freilauf
    33 Feststehende Gehäuse mit Hydrauliköl-Behälter und eventl. Pumpe
    35 Lagerungen für Lagerschalen und Freilauf von Hohlwellen
    36 Lagerflansch
    37 Zwischenzahnräder
    38 Zahn- bzw. Riemenrad für Kraftentnahme und Steuerung von 60
    39 Zahn- bzw. Riemenrad für Kraftentnahme und Steuerung von 61 + 62
    51 Zahnrad-innenverzahnt
    52 Planetenzahnrad "a" verbunden mit "b"
    53 Planetenzahnrad "b"
    54 Sonnenzahnrad
    55 Zahn- bzw. Riemenrad für Kraftentnahme und Anlassen
    56 Planetenzahnradwelle
    57 Krafthauptwelle mit Stromführung für 62
    58 Stromgenerator
    60 Impulsgeber-Scheibe für Schrittmotor
    61 Scheibe mit Impulsgeber
    62 Schrittmotor für 12
    63 Schrittmotor-Welle
    64 Zahn- bzw. Riemenrad für die Steuerung 12
    65 Zwischenzahnrad für die Steuerung 12
    66 Zahn- bzw. Riemenrad für die Steuerung 12

Claims (22)

1. Rotationsverbrennungskraftmaschine kurz RVKM genannt mit 2 Verbrennungsräumen pro Scheibe, gekennzeichnet durch Lufteinlassöffnungen, Auslassöffnungen, eine Kraftstoffeinspritzeinrichtung, zwei ineinanderdrehende zylindrische Teile, welche jeweils gegenseitig einen Flügel besitzen, und sich um eine Achse mit unterschiedlicher Geschwindigkeit drehen, dadurch eine Ansaugung von einer Luft- Kraftstoffmischung, eine Verdichtung bis zur Selbstzündung, einen Arbeitshub und ein Auslassen der Verbrennungsgase bewirken.
2. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrennungen in den axial liegenden zylindrischen Räumen an der beliebiger Stelle stattfinden.
3. RVKM nach Anspruch 1-2 dadurch gekennzeichnet, dass Kolben und Zylinder aus zwei sich bewegenden Flügeln(2) und(4) bestehen, welche sich um eine Achse unabhängig voneinander beliebig frei drehen.
4. RKVM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass verschiedene Kraftstoffe wie Benzin, Diesel und/oder Gas zu Verwendung kommen. Auch zusätzliche Wassereinspritzung ist technisch möglich.
5. RVKM nach Anspruch 1-4 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslassöffnungen durch eine Steuerungsbüchse(12) nach Fig. 2b gesteuert wird.
6. RVKM nach Anspruch 1-5 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungsbüchse (12) durch die Welle (63) des mit drehendem Sonder-Schrittmotors (62), über die Bewegungselemente (64-66), gesteuert wird.
7. RVKM nach Anspruch 5-6 dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (62), der mit der Hohlwelle (17) im Verhältnis 1 zu 1- über die Bewegungselemente (27/37/39/57) gekoppelt mitdreht, steht über ein Bürsten-Kabelsystem mit dem Steuerungselement in Verbindung. Steuerungselement vom Schrittmotor (62) bekommt die entsprechenden Signale im Zusammenspiel von Scheiben (60/61). Die Scheibe (61) mit Signalgeber dreht mit dem Schrittmotorgehäuse zusammen. Die Scheibe Winkelcodierer (60) dreht im Verhältnis 1 zu 1 mit der Hohlwelle (18) über die Bewegungselemente (25137138) mit Steuerungselement und gibt je nach Drehzahl die entsprechenden Befehle an Schrittmotor weiter. Dadurch können die optimalen Taktzeiten wie Öffnungs- und Schliesszeiten sowie Öffnungsdauer bestimmt werden.
8. RVKM nach Anspruch 5-7 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslass-Öffnungen der Steuerungsbüchse (12), Fig. 12 in den Scheiben 1 und 2 am Umfang 3 mal, d. h. mit 120° Abständen angebracht sind. In diesem Beispiel ist der Umfang auf 12 Segmente a' 30° passend zu den Öffnungen am Innenzylinder (3) im Winkel 30° aufgeteilt. Dazu taktet auch der Schrittmotor(62) jeweils um 30° - in diesem Beispiel - zurück. Auslassöffnungen sind jedoch um 30° (= 1 Segment) entgegen der Drehrichtung versetzt angebracht. Bei Scheibe 2 sind die Öffnungen analog zu Scheibe 1, jedoch um 180° versetzt, so das bei jeder Drehung alle 4 Takte stattfinden können.
9. RVKM nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Einlass- und Auslass-Öffnungen der Steuerungsbüchse(12) in Scheibe 3, die als Verdichter dient, am Umfang 6 mal mit 60° Abständen angebracht sind. Auslassöffnungen sind jedoch funktionsbedingt um 30° versetzt.
10. RVKM nach Anspruch 8-9 dadurch gekennzeichnet, dass Steuerungsbüchse (12) nach Fig. 2b mit entsprechenden Dichtleisten und Blattfedern ausgerüstet ist. Die Dichtringe dichten selbsttätig nach Stand der Technik.
11. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkern (13) nach Fig. 11 mit entsprechenden Kanälen, Öffnungen für Luftzuführung und Abgase sowie Kraftstoffzuführung ausgestattet ist.
12. RVKM nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkern (13) nach Fig. 11 mit geeigneter Wasserkühlung ausgestattet ist.
13. RVKM nach Anspruch 11-12 dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderkern (13) für die Wassereinspritzung zusätzliche Kanäle besitzt.
14. RVKM nach Anspruch 11-13 dadurch gekennzeichnet, dass dem Zylinderkern (13) nach Fig. 11 mit entsprechenden Dichtringen, die gegen Verdrehung gesichert und zu den Nebenkammern gasdicht angebracht sind.
15. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rückhaltesystem Fig. 12 bestehend aus 2 feststehenden äusseren Schaufelrädern (30) und einem in der Mitte gelagerten doppelseitigen Schaufelrad (32), das mit Freilauf gegen Rückwärtsdrehung gesichert ist. Die mit den Hohlwellen (17/18)drehenden doppelseitigen Schaufelräder (28129) mit ihren beweglichen Schaufeln laufen in einem Ölmedium ähnlich einem Automatikgetriebe. Bei der Vorwärtsdrehung des betreffenden Schaufelrades im Ölmedium klappen die Schaufeln zu und gleichzeitig gehen die Schaufeln des anderen Schaufelrades durch die Ölströmung auf und bremsen das Rad ab und beschleunigen das Gegenrad durch Arbeitshub. Dieses wiederholt sich bei jedem Arbeitshub erneut im Wechsel.
16. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungsgetriebe Fig. 13 welches im Wechsel durch Hohlwellen übertragene Drehbewegungen in eine gleichförmige Drehbewegung am Nutzkraftrad (55) umwandelt, bestehend aus Hohlzahnrad (51), Planetenzahnräderblock (52/53) mit Wellen (56) und Sonnenzahnrad (54). Zum Anlassen Nutzkraftrad 55 antreiben und mit Hilfe einer Magnetkupplung muss eine Hohlwelle bis zum Arbeitshub gehalten werden. Das Anlassen kann auch mit Druckluft in Scheibe 3 (Verdichter) erfolgen.
17. RVKM nach Anspruch 1, 16 dadurch gekennzeichnet, dass anstatt des Kraftübertragungsgetriebes auch ein Strom-Generator (58) nach Fig. 1.1 eingesetzt werden kann. Der Generator (58) dient dann auch zum Anlassen.
18. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase nach Fig. 1/1.1/2 durch den Zylinderkern (13) zum Auspuffgeleitet werden.
19. RKVM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase durch die Änderungen an den Innen- und Aussenzylindern (1/3), Zylinderkern (13), neuer Auspuffanlage und der 2.ten zusätzlichen Steuerungsbüchse nach Fig. 2.3 ausgestossen werden können.
20. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass durch Montage- bzw. Konstruktionsänderungen sowohl Rechts- wie auch Linkslauf möglich ist.
21. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Konstruktion Möglichkeiten für die Verwendung von hochentwickelten Werkstoffen bietet.
22. RVKM nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass mittels 2 er Schwungräder die unterschiedlichen Massen der beiden Flügeleinheiten ausgeglichen werden.
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