DE202010010622U1 - Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung - Google Patents

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Abstract

Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung zur Verwendung als Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Viertaktverfahren arbeitet, mit einem feststehenden Gehäuse (18), welches aus mindestens einem über mindestens zwei Schlitze verfügenden, ringförmigen Hohlzylinder (1) mit unterschiedlich großen Innenradien besteht und sich zwischen zwei Seitenteilen (23.1, 23.2) befindet, und mit mindestens einem umlaufenden, zweibogigen Drehkolben (2), welcher mit seinem mittig angeordneten Gleitschlitz (15) an dem Wellenzapfen einer Kolbenwelle (14) verschiebbar ist und welcher mit seinen Dichtelementen (16) an der Innenfläche des Zylinders anliegt; und die über mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil (8, 9) und eine dazugehörende Ventiltriebvorrichtung – einen Nocken (4), eine Nockenwelle (5), einen Ventilheber (3), einen Zugtrieb, bestehend mindestens aus zwei Kettenrädern oder Zahnriemenscheiben (20, 21), ein Zugmittel, bestehend mindestens aus einer Kette oder einem Zahnriemen (22), und mindestens zwei Ventildruckfedern (7.1, 7.2) – verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweibogige, im Querschnitt ellipsenförmige Drehkolben (2) mit seinen zwei in die gegenüberliegenden Eckkanten eingelassenen...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenkraftmaschine gemäß Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.
  • Aus den europäischen und international veröffentlichten Patentanmeldungen ist bekannt, dass eine Vielzahl von Erfindungen für Kraftmaschinen dieser Art existiert. Jedoch keine davon, mit einziger Ausnahme die der bekannten Wankelkraftmaschine, erwies sich bisher als praxistauglich (http://de.wikipedia.org/wiki/Rotationskolbenmotor).
  • Neben den erzielten Vorteilen des Wankelmotors gegenüber dem Hubkolbenmotor, zu denen hauptsächlich sein extrem einfacher Aufbau, nur wenige bewegliche Bauteile, eine geringe Baugröße mit geringem Gewicht und Platzbedarf, höhere Leistung und vibrationsarmer Lauf gehören, gibt es dennoch bei sämtlichen Modifikationen die gleichen Nachteile, die nicht nur als Nachteile, sondern auch als Probleme anzusehen sind.
  • Das Hauptproblem des Wankelmotors ist sein sehr flachlanggestreckter Brennraum, der im Vergleich zum Hubkolbenmotor ein sehr ungünstiges Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und Brennraumoberfläche hat und deshalb viel Energie als Wärme, die die Oberfläche der abgeflachten Abschnitte des Brennraums reflektiert, ungenutzt über das Gehäuse abführt. Außerdem kommt der Gemischanteil oberhalb der Zündkerze wegen eng begrenzten geometrischen Gestaltungsmöglichkeiten des halbkugelförmigen Brennraums schwer bis gar nicht zum Entzünden. Aus den vorgenannten Gründen ist der spezifische Kraftstoffverbrauch des Wankelmotors im Vergleich zum Viertakthubkolbenmotor um bis zu 16% höher. Das Brennstoff-Luftgemisch wird bei den Wankelmotoren stets nur auf der einen Seite des Gehäuses angesaugt und auf der anderen Seite stets nur verbrannt, so dass im Gehäuse eine kalte und eine heiße Seite entsteht, was Probleme bei der Kühlung bewirkt. Auch kurze Zündabstände beim fehlenden Leerlauf belasten die Zündkerzen stark. Ein weiteres Problem liegt in der Art der Drehenergieübertragung vom Läufer auf die Exzenterwelle, die sich dreimal so schnell wie der Läufer dreht, was einen erhöhten Verschleiß zur Folge hat (http://de.wikipedia.org/wiki/Wankelmotor).
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Drehkolbenkraftmaschine mit günstigerem Verhältnis zwischen Brennraumvolumen und Brennraumoberfläche zu schaffen, sie so zu gestalten, dass der Zylinder statt flachen nur runde Abschnitte der Innenfläche hat, da die ideale Brennraumform, bezogen auf Erhaltung der Wärmeenergie, nach physikalischem Wärmegesetz, eine Kugelform ist, welche ferner geometrische Gestaltungsmöglichkeit des Brennraums verbessert; und die Lauffunktion der Kraftmaschine so zu entwickeln, dass die Verbrennung sich größtenteils über die Innenfläche des Gehäuses erstreckt und der Leerlauf mit längeren Zeitabständen möglich ist; und die Drehübertragung so auszubilden, dass es keine zusätzlichen mechanischen Spannungen bzw. Belastungen zwischen den im Eingriff stehenden Bauteilen entstehen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Schutzanspruch 1 aufgeführten Merkmale erhalten.
  • Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Ventilsteuerung lange Steuerzeiten, die unmittelbar Auswirkung auf die Motorleistung haben, erreicht werden, wodurch die sich zum größten Teil über die Innenfläche des Zylinders gleichmäßig erstreckende Verbrennung und der kühlende Leerlauf der bewegenden Teile ermöglicht werden; und dass die leicht geschwungene, im Querschnitt runde Innenfläche des Zylinders die Verbrennungsenergie als Wärme, nach physikalischem Wärmegesetz, am geringsten reflektiert und sie dadurch gleichermaßen mit sehr geringen Verlusten über den Zylinder abführt; und dass die Kraftabgabe vom Drehkolben auf die Kolbenwelle in einer Weise übertragen wird, dass sie sich synchron mit gleichen Drehzahlen drehen.
  • Die gewerbliche Anwendung der erfindungsgemäßen Kraftmaschine kann durch Einbau dieser in motorgetriebene Arbeitsmaschinen und Anlagen wie z. B. Kraftfahrzeugen, Flugzeugen, Booten, Kompressoren etc. erfolgen. Insbesondere eignet sich die Erfindung für Sport- und Rennfahrzeuge aufgrund höherer Drehzahlen gegenüber Hubkolbenmotoren.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Darin zeigen:
  • 1 einen Querschnitt der Maschine in einer Stirn- bzw. Seitenansicht;
  • 2 einen Querschnitt entlang der Linie I-I von 1 mit Darstellung des Ventiltriebs;
  • 3 eine geometrische Gestaltung des Innenzylinders mit Darstellung einer Kompressions- und einer Ansaug- oder Expansionskammer und des darin enthaltenden Drehkobens im Querschnitt von 1;
  • 4 eine im Querschnitt dargestellte Lauffunktion des Drehkolbens innerhalb des Zylinders;
  • 5 einen im Querschnitt dargestellten kompletten Ablauf eines Viertaktverfahrens der erfindungsgemäßen Kraftmaschine.
  • Der in 1 dargestellte Querschnitt der Maschine in Stirn- bzw. Seitenansicht zeigt einen Drehkolben 2, der in einem feststehenden, ringförmigen Hohlzylinder 1 untergebracht ist. Der Drehkolben ähnelt einer Ellipsenform und besteht aus zwei gegenüberliegenden gekrümmten Seiten, die in ihren Schnittpunkten zwei gegenüberliegende Eckkanten bilden. Mit den in axialen Nuten der Eckkanten eingesetzten Dichtleisten 16 gleitet der Kolben an der Innenfläche des Zylinders entlang und bildet mit ihm zwei unabhängige, um 180° versetze, wechselnd große Kammern. Im mittleren Bereich besitzt der Kolben einen durchgängigen Gleitschlitz 15, dessen Querschnitt ein in axialer Richtung annähernd langgestrecktes Rechteck mit gekrümmten Breiten darstellt. Mit diesem Schlitz ist der Kolben an dem abgesetzten Wellenende, welches als zweikantiger Wellenzapfen der Kolbenwelle 14 angelegt ist, eingesetzt und ist an ihm radial verschiebbar: Somit steht der Drehkolben 2 mit der Kolbenwelle 14 in einem Dreh- und Gleiteingriff. Er dreht sich innerhalb des ringförmigen Zylinders 1 stets um die Rotationsachse der Kolbenwelle 14 in einer solchen Weise, dass er die Welle in den Umlauf mitnimmt und mit seinem Schlitz an ihrem Zapfen periodisch hin- und her gleitet.
  • Zur Abdichtung des Drehkolbens ist dieser mit den in 1 und 2 dargestellten Dichtelementen 16 versehen. Die beidseitige Abdichtung des Kolbens zur Seitenwand 23.1 und 23.2 geschieht mit mindestens zwei bogenförmigen Dichtstreifen für Gasabdichtung. Die Dichtleisten dichten die Kammern gegeneinander ab. Sie werden jeweils von zwei zeichnerisch nicht dargestellten Dichtbolzen an den Ecken umschlossen. Die Dichtbolzen dienen als Bindeglieder zwischen den Dichtleisten und Dichtstreifen. Zur sicheren Abdichtung können alle Dichtelemente mit Federn ausgestattet werden.
  • Zum Ladungswechsel ist der Zylinder 1 mit mindestens zwei in 1, 3, 4 und 5 dargestellten Schlitzen versehen. Sie sind in den gegenüberliegenden Übergangswänden über der horizontalen Zylinderachse 0-0 so angeordnet, dass der Drehkolben beim Umlauf mit seinen beiden Eckkanten sie stets voneinander trennt. Diese Schlitze sind mit Lufteinlass- und Abgasaustrittskanälen 11 und 12 verbunden. Der Ladungswechsel erfolgt üblicherweise über diese Kanäle und wird durch die mittels Ventiltriebs angetriebenen synchronlaufenden Ventile 8 und 9 gesteuert.
  • Der ringförmige Zylinder mit dem ihn innerlich umlaufenden Drehkolben macht die Anwendung von Ventilen üblicher Bauart sehr kompliziert. Deshalb sind die in 1 dargestellten Ventile in der Erfindung in einer von den herkömmlichen Hubkolbenmotoren abweichender Gestaltung dargestellt. Die im Wesentlichen kegelförmigen Ventile 8 und 9, die sich in der Praxis als dichtsicher erwiesen, bewegen sich in den an die Ventile angepassten in den Ein- und Auslasskanälen senkrecht durchbohrten Ventilsitzen 10.1 und 10.2 auf- und abwärts. Der zweiarmige Ventilheber 3 ist mit seinen Enden an Ventilschäften 6.1 und 6.2 fixiert und liegt mittig am Nocken 4 an, dessen vorspringendes Teil sich über einen Winkelbereich von 120° erstreckt. Die äußeren Ventildruckfedern 7.1 und 7.2 stützen sich mit einem Ende auf die fixierten Teile des Gehäuses 18, während das andere Ende gegen die Ventile arbeitet: Somit bewirken die Ventilfedern das gleichzeitige Schließen der Ventile und der Nocken bewirkt hingegen das gleichzeitige Öffnen dieser.
  • Die Schmierung der Seitenwände und der Gleitflächen kann durch Druckumlaufschmierung über den Schlitz 15 des Drehkolbens 2 erfolgen. Alternativ kann die Schmierung durch Beimengung des Schmierstoffs im Brennstoff-Luftgemisch erfolgen. Das Brennstoff-Luftgemisch kann entweder von einer zeichnerisch nicht dargestellten Vergaseranlage zugeführt und als Gemisch angesaugt werden oder mittels einer Einspritzanlage eingespritzt werden. Gehäuse, Drehkolben und die Seitenteile werden mit Flüssigkeit, Frischluft oder dem Gasgemisch gekühlt; letzteres wird auf seinem Weg durch den Kolben vorgewärmt. Für die Kühlung mit Flüssigkeit sind im zylindrischen Gehäuse die Kühlkanäle 19 eingerichtet. Für die Luftkühlung ist das Gehäuse mit Kühlrippen zu versehen. Die Zündung erfolg durch mindestens eine Zündkerze 13. Es ist rational sie am Zylinder im engeren Bereich vor der Kompressionskammer gegen Kolbendrehrichtung anzuordnen.
  • Der in 2 dargestellte Querschnitt entlang der Schnittlinie I-I von 1 zeigt einen Ventiltrieb, bestehend aus einem Antriebskettenrad oder einer Antriebszahnriemenscheibe 21, einem Abtriebskettenrad oder einer Abtriebszahnriemenscheibe 20, einem Zugmittel – je nach Art des Zugtriebes – einer Kette oder einem Zahnriemen 22 und einem Nocken 4. Diese Kettenräder oder Zahnriemenscheiben werden im Außenbereich jeweils an der Kolbenwelle 14 als Antriebswelle, die auf den Seitenteilen 23.1 und 23.2 gelagert ist, und an der Nockenwelle 5 als Abtriebswelle, die über dem Zylinder 1 gleichermaßen auf den Seitenteilen 23.1 und 23.2 gelagert ist, fixiert. Die Antriebswelle steht zur Abtriebswelle in einem Drehzahlverhältnis von 3:2, wodurch eineinhalb Kolbenwellenumdrehungen eine Nockenwellenumdrehung bedeuten.
  • Da der Nocken gegen die Ventilfedern innerhalb von 120° der Nockenwellendrehung arbeitet und die Kolbenwelle als Antriebswelle sich anderthalbmal so schnell wie die Nockenwelle als Abtriebswelle dreht, dauert der gleichzeitige Lauf der beiden Ventile 180° der Kolben drehung, wonach sie anschließend über 360° der Kolbendrehung geschlossen bleiben. Dadurch wird die gleichzeitige Ausführung des 1. Takts (Ansaugen) an einer Kolbenseite und des 4. (Ausstoßen) an gegenüberliegender Seite binnen 180° der Kolbendrehung und die anschließende Ausführung des 2. Takts (Verdichten) und des 3. (Arbeiten) jeweils an einer Kolbenseite, während an der gegenüberliegenden keine Arbeitsvorgänge laufen, binnen 360° der Kolbendrehung in aufeinanderfolgender Weise ermöglicht.
  • Die erforderliche Energie für die Ausführung der gleichzeitig laufenden Takte 1 (Ansaugen) und 4 (Ausstoßen) und des separat laufenden 2. Taktes (Verdichten) wird durch eine Schwungmasse geliefert.
  • Die Kontur des in 3 dargestellten Innenzylinders wird von vier geschlossenen Kreisbögen a, b, c und d gebildet. Die konzentrisch angeordneten, gegenüberliegenden Kreisbögen a und b besitzen einen Zentriwinkel von 90° mit einem Mittelpunkt 0, verfügen dabei aber über unterschiedlich große Innenradien R und r, die zueinander in einem bevorzugten Verhältnis stehen, wie R:r = 1,4:1
  • Der Mittelpunkt 0 entspricht der Rotationsachse der Kolbenwelle 14 und ist dem Schnittpunkt der horizontalen- und vertikalen Zylinderachse 0-0 und S-S zugeordnet. Zwischen den konzentrisch angeordneten Innenradien R und r besteht ein kontinuierlicher Übergang aus zwei gegenüberliegenden, gleichgroßen Kreisbögen c und d, die so bemessen sind, dass sie um das gleiche Maß wie der Radius, gemessen vom Mittelpunkt 0 aus, auf einem Bogen zunehmen und somit auch gleichermaßen auf dem gegenüberliegenden Bogen abnehmen. Dadurch bleibt auch in den Übergangsbereichen vom kleineren zum größeren Radius bzw. vom größeren zum kleineren der Durchmesser der Zylinderinnenwand, gemessen durch den Mittelpunkt 0, gleich. Dieser Durchmesser entspricht der Summe der Radien: D = R + r
  • Der in 3 innerhalb des Zylinders 1 dargestellte Drehkolben 2 stellt annähernd eine Ellipsenfigur dar, deren gegenüberliegende Seiten durch jeweils zwei nebeneinanderliegende, gleichgroße Bögen, von denen einer in einem Scheitelpunkt 01 und der andere im gegenüberliegenden Scheitelpunkt 02 an der Kolbenachse 01-02 endet, gebildet werden. Dabei funktioniert die Kolbenachse 01-02 wie eine Spiegelachse für die jeweilige Kolbenseite. Jeder Radius der zwei Bögen einer Kolbenseite entspricht dem Radius R2 der gleichgroßen Übergangsbögen c und d und das konstante Maß zwischen den Scheitelpunkten 01 und 02 entspricht dem Durchmesser der Zylinderinnenwand, also 0102 = R + r
  • Dadurch liegt der Drehkolben mit den Flanken jeweils einer Seite exakt an den Übergangsbögen c und d an, wenn seine Achse 01-02 mit der zylindrischen horizontalen Achse 0-0 übereinstimmt. Eine solche Kolbenposition wird als „Nullposition”, bei der jeder einzelne der Viertakte der erfindungsgemäßen Kraftmaschine zu arbeiten beginnt, definiert. Der Drehkolben nimmt zweimal eine „Nullposition” innerhalb seiner vollen Umdrehung bzw. innerhalb von 360° seiner Drehung ein, wobei jeder einzelne der Viertakte über 180° der Kolbendrehung läuft.
  • Um die Reibung zwischen der Innenfläche des Zylinders und der Oberfläche des Drehkolbens zu vermeiden, sind die Kontur bildenden Radien des Drehkolbens abweichend von den gleichgroßen Innenradien R2 der Übergangsbögen c und d mit Toleranz zu versehen.
  • In der in 3 dargestellten „Nullposition” des Drehkolbens stellt dieser mit einer seiner Seiten annähernd die innere Hüllkurve zum Zylinder mit kleinerem Innenradius r dar, so dass in diesem Bereich eine Kompressionskammer (KK) entsteht. Dabei entsteht zwischen der gegenüberliegenden Kolbenseite und dem Zylinder mit größerem Innenradius R der größtmögliche Raum, der als Ansaug- oder Expansionskammer (AK/EK) definiert wird.
  • Zur Aufnahme des Verbrennungsdrucks ist an den in 3 dargestellten beiden gekrümmten Kolbenflächen jeweils eine Ausnehmung 17 angelegt. Diese Ausnehmungen erstrecken sich gleichmäßig hinter den Eckkanten entlang gegen Drehrichtung so, dass jeweils eine von ihnen die Strömung des komprimierten Zündgemischs in sich ermöglicht.
  • Der Innenzylinder und der Drehkolben sind so ausgebildet, dass die Querschnittfläche des Kolbens etwa zwei Drittel der Zylinderquerschnittfläche einnimmt; wobei die Volumina von Ansaugkammer- oder Expansionskammer und Kompressionskammer zueinander in einem Verhältnis von ca. 15:1 stehen: Somit wird die für ein Viertaktverfahren erforderliche Verdichtung des Brennstoff-Luftgemischs erreicht.
  • Der in 4 dargestellte Drehkolben 2 gleitet mit seinen beiden Eckkanten als Scheiteln an der Innenfläche der Übergangsbögen c und d in Pfeilrichtung entlang und verschiebt sich radial zur Innenwand des Übergangsbogens c auf dem Weg von der Kompressionskammer zur Expansionskammer in der Weise, dass er zu diesem Übergangsbereich vom Mittelpunkt 0 ausläuft, während er vom gegenüberliegenden Übergangsbereich auf dem Weg von der Expansionskammer zur Kompressionskammer zum Mittelpunkt 0 einläuft. Dadurch nimmt die Brennfläche an der voranlaufenden Kolbenflanke einer Kolbenseite, gemessen durch den Hebelarm zwischen dem Mittelpunkt 0 und dem an der Innenfläche von der Kompressionskammer zur Expansionskammer gleitenden Scheitelpunkt des Kolbens, zu, während sie an der nachlaufenden Flanke derselben Kolbenseite gleichermaßen abnimmt. Beim Gleiten mit jeweils einem Scheitel an der Innenfläche der Expansionskammer erreicht die Brennfläche der voranlaufenden Kolbenflanke konstant ihr größtes Maß. Danach führt das zuvor auslaufende Kolbenteil die einlaufende Bewegung und das zuvor einlaufende Kolbenteil die auslaufende Bewegung aus, wobei die voran- und nachlaufenden Kolbenflanken ihren Ausgleich erst dann erreichen, wenn der Drehkolben seine „Nullposition” einnimmt. Dadurch bleibt der Verbrennungsdruck an der voranlaufenden Brennfläche stets höher als der Gegendruck an der nachlaufenden: Somit treibt der Druck der expandierenden Gase den Drehkolben stets in Drehrichtung an.
  • 5 zeigt einen in sechs Phasen dargestellten kompletten Ablauf des Viertaktverfahrens der erfindungsgemäßen Kraftmaschine. Dabei ist die Darstellung des Ventiltriebs unterlassen, denn diesem Ausführungsbeispiel liegt lediglich die Aufgabe zu Grunde, den Ablauf eines Viertaktverfahrens innerhalb des zylindrischen Arbeitsraums darzustellen.
  • Phase I
  • Die Kolbenseite d läuft in Pfeilrichtung am geöffneten Einlassventil 8 vorbei, wobei das von einem Vergaser oder einer Einspritzanlage kommende Brennstoff-Luftgemisch über den Einlasskanal 11 in den Arbeitsraum angesaugt wird. Zu gleicher Zeit läuft die gegenüberliegende Kolbenseite b ebenso am geöffneten Auslassventil 9 vorbei, wobei die verbrannten Gase aus dem Arbeitsraum über den Auslasskanal 12 ausscheiden. Beim Weiterlaufen des Drehkolbens vergrößert sich der Arbeitsraum an der Kolbenseite d, während er sich an der Kolbenseite b verkleinert.
  • Phase II
  • Der Drehkolben nimmt seine „Nullposition” ein, bei der die Ansaugkammer (AK) ihr größtes Volumen erreicht. Die Kolbenseite b hat mit ihrer Flanke ab den Rest der verbrannten Gase über den Auslasskanal 12 ausgestoßen. Die beiden Ein- und Auslassventile werden durch den Ventiltrieb geschlossen. Der 1. Takt (Ansaugen) an der Kolbenseite d und der 4. Takt (Ausstoßen) an der Kolbenseite b sind abgeschlossen.
  • Phase III
  • Die Kolbenseiten b und d laufen an den geschlossenen jeweiligen Ein- und Auslassventilen vorbei. Der Kolben dreht sich weiter und verkleinert den Arbeitsraum, in dem sich das angesaugte Brennstoff-Luftgemisch befindet.
  • Phase IV
  • Der Kolben nimmt wiederum seine „Nullposition” ein. Das an der Kolbenseite d angesaugte Brennstoff-Luftgemisch hat in der Kompressionskammer (KK) seine höchste Dichte erreicht. Die beiden Ventile bleiben geschlossen. Jetzt wird das komprimierte Brennstoff-Luftgemisch gezündet. Es entsteht an der voranlaufenden Kolbenflanke ad durch die an ihr angelegte Ausnehmung 17, die die Strömung des komprimierten Brennstoff-Luftgemischs in sie ermöglicht, eine größere Brennfläche als an der nachlaufenden Kolbenflanke cd. Dadurch wird der Drehkolben durch die Verbrennung in Pfeilrichtung beschleunigt.
  • Phase V
  • Die beiden Kolbenseiten laufen an den geschlossenen Ventilen vorbei. Da der Kolben sich zur Zylinderinnenwand auf dem Weg von der Kompressionskammer zur Expansionskammer radial verschiebt, bleibt der Verbrennungsdruck an der voranlaufenden Kolbenflanke ad stets höher als der Gegendruck an der nachlaufenden Flanke cd, wodurch die Verbrennungsenergie den Kolben immer in Pfeilrichtung antreibt. Es läuft an der Kolbenseite d der 3. Arbeitstakt (Arbeiten).
  • Phase VI
  • Schließlich erreicht die Kolbenseite d die in Phase I dargestellte Position der Kolbenseite b und Kolbenseite b nimmt die Position der Kolbenseite d ein. Die beiden Ventile kommen durch den Ventiltrieb in Bewegung und öffnen sich. Jetzt führt Kolbenseite b die Arbeitsvorgänge aus, die Kolbenseite d zuvor ausgeführt hat und Kolbenseite d führt den Vorgang aus, den Kolbenseite b zuvor ausgeführt hat.
  • Der in Phasen I–VI dargestellte Ablauf des Arbeitsprozesses zeigt, dass an jeweils einer Kolbenseite bei zwei Kolbenumdrehungen ein vollständiges Viertaktverfahren mit Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen abläuft, und da der 1. Takt (Ansaugen) an einer Kolbenseite und der 4. Takt (Ausstoßen) an gegenüberliegender Kolbenseite synchron laufen, hat die erfindungsgemäße Kraftmaschine innerhalb von eineinhalb Kolbenumdrehungen bzw. innerhalb von 540° der Kolbendrehung den kompletten Viertaktprozess durchlaufen.
  • 1
    Innenzylinder
    2
    Drehkolben
    3
    Ventilheber
    4
    Nocken
    5
    Nockenwelle
    6.1, 6.2
    Ventilschäfte
    7.1, 7.2
    Ventildruckfedern
    8
    Einlassventil
    9
    Auslassventil
    10.1, 10.2
    Ventilsitze
    11
    Einlasskanal
    12
    Auslasskanal
    13
    Zündkerze
    14
    Kolbenwelle
    15
    Kolbengleitschlitz
    16
    Dichtelemente
    17
    Kolbenausnehmung
    18
    Gehäuse
    19
    Kühlkanale
    20
    Nockenwellenkettenrad- oder Zahnriemenscheibe
    21
    Antriebskettenrad- oder Zahnriemenscheibe
    22
    Kette oder Zahnriemen
    23.1, 23.2
    Seitenteile
    KK
    Kompressionskammer
    AK/EK
    Ansaug- oder Expansionskammer
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - http://de.wikipedia.org/wiki/Rotationskolbenmotor [0002]
    • - http://de.wikipedia.org/wiki/Wankelmotor [0004]

Claims (18)

  1. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung zur Verwendung als Verbrennungskraftmaschine, die nach dem Viertaktverfahren arbeitet, mit einem feststehenden Gehäuse (18), welches aus mindestens einem über mindestens zwei Schlitze verfügenden, ringförmigen Hohlzylinder (1) mit unterschiedlich großen Innenradien besteht und sich zwischen zwei Seitenteilen (23.1, 23.2) befindet, und mit mindestens einem umlaufenden, zweibogigen Drehkolben (2), welcher mit seinem mittig angeordneten Gleitschlitz (15) an dem Wellenzapfen einer Kolbenwelle (14) verschiebbar ist und welcher mit seinen Dichtelementen (16) an der Innenfläche des Zylinders anliegt; und die über mindestens ein Einlass- und ein Auslassventil (8, 9) und eine dazugehörende Ventiltriebvorrichtung – einen Nocken (4), eine Nockenwelle (5), einen Ventilheber (3), einen Zugtrieb, bestehend mindestens aus zwei Kettenrädern oder Zahnriemenscheiben (20, 21), ein Zugmittel, bestehend mindestens aus einer Kette oder einem Zahnriemen (22), und mindestens zwei Ventildruckfedern (7.1, 7.2) – verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass der zweibogige, im Querschnitt ellipsenförmige Drehkolben (2) mit seinen zwei in die gegenüberliegenden Eckkanten eingelassenen Dichtleisten (16) an der geschwungenen Innenfläche des Zylinders (1) dichtsicher entlang gleitet und mit diesem zwei separate, um 180° versetzte, wechselnd große Kammern bildet (1, 5).
  2. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Zylinders (1), gemessen durch den Mittelpunkt (0) der konzentrisch angeordneten, unterschiedlich großen Innenradien (R und r), die sich über einen gleichgroßen Winkelbereich von 90° erstrecken und die durch Übergangsbögen (c und d) ineinander übergehen, in allen Bereichen gleich ist und dieser einem konstanten Maß zwischen den Scheitelpunkten (01 und 02) des Drehkolbens (2), gemessen durch seine Hauptachse (01-02), entspricht (3).
  3. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelpunkt (0) des größeren Zylinderinnenradius (R) und des kleineren Innenradius (r) der Rotationsachse der Kolbenwelle (14) entspricht und dem Schnittpunkt der vertikalen- und horizontalen Zylinderachse (0-0 und S-S) zugeordnet ist (3, 4).
  4. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Drehkolbens (2) aus zwei gegenüberliegenden, nach außen gewölbten gleichlangen Seiten besteht, von denen jeweils eine Seite durch je zwei nebeneinanderliegende gleichgroße Bögen, die an der Nebenachse (S-S) des Drehkolbens ineinander übergehen und von denen einer in einem Scheitelpunkt (01) und der andere im gegenüberliegenden Scheitelpunkt (02) an der Hauptkolbenachse (01-02) endet, gebildet werden, wobei die Kolbenachse (01-02) wie eine Spiegelachse für die jeweilige Kolbenseite funktioniert (3).
  5. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Radius der zwei Bögen jeweils einer Kolbenseite dem Radius (R2) der gleichgroßen Übergangsbögen (c und d), von der Toleranz abgesehen, entspricht (3).
  6. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (2) einen länglichen, mittig angeordneten, an seiner Hauptachse (01-02) entlang laufenden Schlitz (15) hat, mit dem er an dem zweikantigen Wellenzapfen der Kolbenwelle (14) eingesetzt ist und mit ihr einen Dreh- und Gleiteingriff bildet, sodass der Kolben die um die eigene Achse rotierende Kolbenwelle in den Synchronumlauf mitnimmt und er gleichzeitig mit seinem Schlitz an dem Wellenzapfen hin- und her gleitet (1, 4, 5).
  7. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (2) nach jeweils 180° seiner Drehung eine „Nullposition” einnimmt, die durch Übereinstimmung seiner Hauptachse (01-02) mit der zylindrischen horizontalen Achse (0-0) definiert wird, bei der der Kolben mit den Flanken jeweils einer Seite an den Übergangsbögen (c und d), von der Toleranz abgesehen, anliegt und mit der jeder einzelne der Viertakte zu arbeiten beginnt (3, 5, Phase II und IV).
  8. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (2) in seiner „Nullposition” mit jeweils einer Seite zum Zylinder mit kleinerem Innenradius (r) den kleinstmöglichen Innenraum bildet, welcher als Kompressionskammer (KK) funktioniert, und er gleichzeitig mit gegenüberliegender Seite zum Zylinder mit größerem Innenradius (R) den größtmöglichen Innenraum bildet, welcher als Ansaug- oder Expansionskammer (AK/EK) funktioniert (3).
  9. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der umlaufende Drehkolben (2) mit seinen beiden an der Zylinderinnenwand entlang gleitenden Dichtleisten die über der horizontalen Zylinderachse (0-0) gegenüberliegenden Ein- und Auslassschlitze stets voneinander trennt, sodass der Einlass des Brennstoff-Luftgemischs und der Auslass der verbrannten Gase gleichzeitig freigegeben werden (5, Phase I und VI).
  10. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (2) sich beim Gleiten mit jeweils einem Scheitel an der Innenfläche des Übergangsbogens von der Kompressions- zur Expansionskammer zu diesem Bogen radial verschiebt, wodurch die Brennfläche der voranlaufenden Kolbenflanke einer Kolbenseite stets höher wird als die Brennfläche der seitengleichen nachlaufenden Kolbenflanke (4, 5, Phase V).
  11. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungswechsel durch die sich im Außenbereich in den Ein- und Auslasskanälen (11 und 12) senkrecht befindenden, im Wesentlichen im Querschnitt kegelförmigen Ventile (8, 9) über die Ein- und Auslassschlitze in der Zylinderwand gesteuert wird (1, 5, Phase I und VI).
  12. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiarmige Ventilheber (3) mit seinen beiden Enden direkt an den Ventilschäften (6.1 und 6.2) fixiert ist und mittig an dem Nocken (4) anliegt (1).
  13. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventildruckfedern (7.1, 7.2) sich mit einem Ende auf die fixierten Teile des Gehäuses (18) stützen und sie mit dem anderen Ende direkt gegen die Ventile arbeiten und das gleichzeitige Schließen dieser bewirken; und dass die Nockenwelle (5) das gleichzeitige Öffnen der Ventile durch den Nocken (4) und den Ventilheber (3), der sich hubartig auf- und abwärts bewegt, bewirkt (1).
  14. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment von der auf den Seitenteilen (23.1 und 23.2) gelagerten Kolbenwelle (14) auf die gleichermaßen auf den Seitenteilen über dem Zylinder gelagerten Nockenwelle (5) durch die an den jeweiligen Wellen außerhalb des Gehäuses (18) fixierten Kettenräder oder Zahnriemenscheiben als Zugtriebe (20, 21) mittels einer Kette oder eines Zahnriemens als Zugmittel (22) übertragen wird (2).
  15. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 6, 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Nocken (4) innerhalb von 120° der Drehung der Nockenwelle (5) gegen die Ventildruckfedern arbeitet (1) und dass das Drehzahlverhältnis von der Kolbenwelle (14) als Antriebswelle zur Nockenwelle (5) als Abtriebswelle 3:2 beträgt, wodurch eineinhalb Kolbenwellenumdrehungen eine Nockenwellenumdrehung bedeuten (2) und der Nocken somit während 180° der Kolbendrehung gegen die Ventilfedern arbeitet.
  16. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 13 und 15, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichzeitige Lauf der beiden Ventile 180° der Kolbendrehung dauert; und dass die beiden Ventile über 360° der Kolbendrehung unbeweglich bleiben, sodass das Öffnen der beiden Ventile durch den Ventiltrieb 180° der Kolbendrehung bedeutet, und dass diese danach über 360° der Kolbendrehung geschlossen bleiben.
  17. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 1, 9 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder der zwei Kolbenseiten innerhalb von zwei Kolbenumdrehungen ein vollständiger Viertaktprozess mit Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausstoßen abläuft, wobei der 1. Takt (Ansaugen) und der 4. Takt (Ausstoßen) des jeweils separat laufenden Viertaktprozesses an gegenüberliegenden Kolbenseiten gleichzeitig ablaufen (5, Phasen I–VI).
  18. Drehkolbenkraftmaschine mit Ventilsteuerung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Kraftmaschine bei eineinhalb Kolbenumdrehungen bzw. bei 540° der Kolbendrehung den kompletten Viertaktprozess durchlaufen hat (5, Phasen I–VI).
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