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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor mit einem Rotationskolben, der in einem Gehäuseteil drehbar aufgenommen ist, sowie einen Hybridantrieb, der einen solchen Verbrennungsmotor mit Rotationskolben sowie einen Elektromotor mit einem Stator und einem relativ zum Stator drehbaren Rotor aufweist.
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Verbrennungsmotoren, die keine hin- und hergehenden Hubkolben, sondern Rotationskolben besitzen, zeichnen sich üblicherweise durch eine sehr kompakte Bauweise mit wenigen beweglichen Teilen sowie einen weiche, vibrationsarmen Lauf infolge der fehlenden oder nur geringen Unwuchten aus. Andererseits sind die Dichtflächen der Brennkammer, d. h. der Rotationskolben gegen die Brennkammerwandung des umgebenden Gehäuseteils relativ schwierig abzudichten. Aufgrund der im Vergleich zu einem Hubkolbenmotor relativ langen Dichtflächen treten vergleichsweise höhere Druckverluste auf, zudem kommt es an den Laufflächen des Gehäuseteils bisweilen zu Rattermarken bzw. Kratzspuren, die durch spezielle Ausbildung der am Kolben vorgesehenen Dichtungsstege bzw. besondere Laufflächenbeschichtungen reduziert bzw. beseitigt werden können. Um solche Dichtungsprobleme zu vermeiden, wurde in der Schrift
US 2012/0306157 vorgeschlagen, den Dichtungssteg als Magnet auszubilden und damit magnetisierbare Dichtungspartikel anzuziehen, die nach Art einer Dichtungspartikel-Wolke an der Brennkammerwandung anliegen sollen.
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Einige Bedeutung in der Antriebstechnik von Kraftfahrzeugen hat dabei der sog. Wankelmotor entwickeln können, bei dem üblicherweise ein grob gesprochen eckiger, insbesondere dreieckiger Kreiskolben um eine Exzenterwelle umläuft bzw. diese Exzenterwelle über eine Ritzelverzahnung antreibt, wobei der Kolben mit seinen Eckkonturen an einem doppelbogigen, insbesondere epitrochoid geformten Gehäuse entlangstreicht, so dass sich das Volumen der zwischen Kolben und Gehäuseteilwandung eingeschlossenen Kammern beim Umlaufen zyklisch ändert. Alternativ zu einer solchen Ausbildung mit feststehendem äußeren Gehäuseteil ist es auch bekannt, den Wankelmotor als Drehkolbenmotor mit Innenläufer und Außenläufer auszubilden, bei dem der Drehkolben ebenfalls in einem an der Innenkontur doppelbogigen, insbesondere epitrochoiden Gehäuseteil umläuft, welches Gehäuseteil aber selbst ebenfalls umläuft und dabei beispielsweise in einem Außengehäuseteil aufgenommen sein kann. Bei dieser zweiten Variante des Wankelmotors braucht es keinen Exzenter, sondern der Innenläufer und der Außenläufer, d. h. der genannte Drehkolben und das doppelbogige Gehäuseteil laufen jeweils um ihre Schwerpunktsachse um.
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In jüngerer Zeit ist es dabei auch bekannt geworden, solche Wankel- bzw. Rotationskolbenmotoren zusammen mit Elektromotoren als Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge zu verwenden, um in schadstoffsensiblen und geräuschpegelgeplagten Bereichen wie beispielsweise Innenstädten oder generell innerhalb kleinerer Reichweiten nur elektromotorisch zu fahren, während außerhalb von Städten bzw. für Fahrten größerer Reichweite der Verbrennungsmotor zugeschaltet wird. Das Zuschalten des Verbrennungsmotors kann dabei dergestalt erfolgen, dass der Verbrennungsmotor direkt an den Antriebsstrang angekuppelt wird und die Antriebsräder antreibt, oder auch in indirekter Form ohne mechanische Ankupplung an die Antriebsräder, um über einen Generator Strom für die elektrischen Radantriebsmotoren zu erzeugen. Beispiele für solche Hybridantriebe umfassend einen Verbrennungsmotor vom Wankel- bzw. Rotationskolbentyp sowie einen Elektromotor zeigen beispielsweise die Schriften
WO 00/71888 A2 ,
DE 10 2011 118 116 A1 oder
DE 31 39 357 C2 .
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Bei der Verwendung von Wankelmotoren in solchen Hybridantrieben kommt bislang der klassische Vorteil von Wankelmotoren, nämlich seine kompakte Bauweise infolge nur weniger beweglicher Teile kaum richtig zum Tragen. Die zusätzlich vorgesehenen Elektromotoren sowie deren Anbindung an den Wankelmotor bzw. den gemeinsamen Antriebsstrang führt meist zu insgesamt platzgreifenden Antriebssystemen. Zum anderen steht die eingangs genannte Problematik des Abdichtens der Brennkammerdichtflächen bei solchen Wankelmotoren einem Durchbruch der Wankelmotoren in Hybridantrieben bislang im Wege.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Verbrennungsmotor mit Rotationskolben sowie einen verbesserten Hybridantrieb mit einem solchen Rotationskolbenmotor zu schaffen, die Nachteile des Standes der Technik vermeiden und Letzteren in vorteilhafter Weise weiterbilden. Insbesondere soll eine kompakte, platzsparende Kombination von Rotationskolbenmotor und Elektromaschine als Hybridantrieb geschaffen und die Dichtungsproblematik am Rotationskolben entschärft werden.
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Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch einen Hybridantrieb gemäß Anspruch 1 sowie einen Verbrennungsmotor mit Rotationskolben gemäß Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also vorgeschlagen, den Elektromotor in den Verbrennungsmotor zu integrieren und die Besonderheit des Rotationskolbenmotors zu nutzen, dass dessen Rotationskolben keine Hubbewegung, sondern eine Rotationsbewegung ausführt. Der Rotationskolben wird als Rotor bzw. Träger für den Rotor des Elektromotors genutzt. Erfindungsgemäß ist der Rotor des Elektromotors in den Rotationskolben integriert. Der Stator des Elektromotors ist an einem den Kolben umgebenden Strukturteil des Verbrennungsmotors angeordnet, relativ zu dem der Rotationskolben sich dreht. Der Rotationskolben erhält hierdurch eine Doppelfunktion und dient einerseits in an sich bekannter Weise als Verbrennungsmotorkolben, der den durch Gemischexplosionen beziehungsweise -verbrennung entstehenden Verbrennungsdruck in eine mechanische Bewegung umsetzt, und andererseits als Träger der elektromotorischen Rotorteile, die im Zusammenspiel mit dem Stator und den dabei erzeugten magnetischen Kräften die elektromotorische und/oder elektrogeneratorische Drehbewegung bereitstellt.
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Arbeitet der Hybridantrieb mit dem Verbrennungsmotor, wird der Rotationskolben durch das Verfeuern eines Luftbrennstoffgemisches angetrieben, das in die Brennkammer geleitet und dort entzündet wird, welche Brennkammer zwischen dem Kolben und der umgebenden Hüllkammerwandung, in der der Kolben umläuft, definiert wird. Wird der Hybridantrieb elektromotorisch betrieben, wird der genannte Rotationskolben über die magnetischen Kräfte angetrieben, die durch Bestromen des Stators und/oder Rotors aus einer entsprechenden Stromquelle wie beispielsweise einem Akku erzeugt werden. Grundsätzlich ist dabei auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem sowohl der Verbrennungsmotor als auch der Elektromotor gleichzeitig betrieben werden. Ein solcher Mischbetrieb kann dabei vorsehen, dass der Elektromotor den Verbrennungsmotor unterstützt, d. h. beide Motoren tatsächlich als Antrieb arbeiten. Alternativ kann ein Mischbetrieb auch darin bestehen, dass während des Betriebs des Verbrennungsmotors der integrierte Elektromotor als Generator arbeitet und Strom erzeugt, der beispielsweise in einer Batterie gespeichert oder anderen elektrischen Abnehmern bereitgestellt werden kann.
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Je nach Ausbildung des in den Verbrennungsmotor integrierten Elektromotors können der Stator und der Rotor unterschiedlich ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Stator oder der Rotor als Permanentmagnet ausgebildet sein, wobei nur einer von Stator und Rotor eine Wicklung umfasst, die entsprechend bestromt wird.
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Vorteilhafterweise können jedoch sowohl der Rotor als auch der Stator Spulen umfassen bzw. elektromagnetisch arbeiten, wobei insbesondere Rotor- und Statorwicklungen auf entsprechenden Blechpaketen angebracht sein können.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Rotor einen im Inneren des Rotationskolbens des Verbrennungsmotors aufgenommene Rotorwicklung umfassen, wobei auch das entsprechende Rotorwicklungs-Blechpaket im Inneren des Rotationskolbens aufgenommen sein kann. Der Rotor kann eine Spule mit Spulenkern umfassen, die im Inneren des Rotationskolbens sitzen. Bei einer solchen Anordnung des Rotors im Inneren des Rotationskolbens bildet die Kolbenwandung eine Einhausung für die elektromagnetischen Komponenten des Rotors und schützt diese vor den bei Verbrennungsbetrieb auftretenden Belastungen.
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Der Stator kann ebenfalls eine Statorwicklung und ein Stator-Blechpaket umfassen, das in einem den Kolben umgebenden Strukturteil des Verbrennungsmotors, insbesondere im Inneren dieses Strukturteils angeordnet bzw. aufgenommen ist.
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Je nach Ausbildung des Rotationskolbenmotors kann die Anordnung von Rotor und Stator dabei unterschiedlich sein. Bildet der Verbrennungsmotor einen Wankelmotor vom Kreiskolbentyp, bei dem der Rotationskolben einen Kreiskolben bildet, der um eine Exzenterwelle umläuft bzw. diese Exzenterwelle über eine Ritzelverzahnung antreibt, und in einem feststehenden Gehäuseteil, insbesondere einem epitrochoiden Brennkammergehäuseteil umläuft, kann der Rotor in der genannten Weise in den Kreiskolben integriert sein und der Stator in das genannte feststehende Gehäuseteil integriert sein.
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Ist der Rotationskolbenmotor alternativ als Drehkolbenmotor ausgebildet, bei dem der eigentliche Drehkolben einen Innenläufer bildet, der in einem Außenläufer umläuft, wobei der genannte Außenläufer eine doppelbogige, insbesondere epitrochoide Innenkontur aufweist und selbst wiederum drehbar gelagert ist, so dass auch der Außenläufer sich dreht und in einem umgebenden Gehäuseteil aufgenommen ist, kann der Rotor in den Innenläufer und der Stator in den Außenläufer integriert sein. Alternativ kann der Rotor in den Außenläufer integriert sein und der Stator in das umgebende, feststehende Gehäuseteil integriert sein. Bei einem solchen Wankelmotor mit Innenläufer und Außenläufer kann auf eine exzentrische Lagerung der umlaufenden Teile verzichtet werden, wobei die genannten Innen- und Außenläufer jeweils um ihre Schwerpunktachse drehbar gelagert sein können, so dass im Wesentlichen keine Unwuchten auftreten.
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Der Rotationskolben des Verbrennungsmotors kann an seinen Ausbuchtungen oder Ecken, die ggf. abgerundet sein können, bzw. an den Kolbenabschnitten, die mit der umgebenden Brennkammerwandung in Berührung stehen, mit Dichtungsstegen versehen sein, um die Brennkammer in an sich bekannter Weise abzudichten, wobei die genannten Dichtungsstege gleitend an der Brennkammerwandung anliegen, um durch mechanischen Kontakt die gewünschte Dichtwirkung bereitzustellen. In Weiterbildung der Erfindung können die genannten Dichtungsstege als elektrische Schleifkontakte ausgebildet sein, mittels derer der in den Rotationskolben integrierte Rotor bzw. dessen Rotorwicklung mit Rotoranschlüssen verbunden werden kann, um den Rotor von außen her mit Strom zu versorgen bzw. im Generatorbetrieb im Rotor entstehenden Strom nach außen abzuliefern.
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In Weiterbildung der Erfindung können die genannten Dichtungsstege am Rotationskolben beweglich gelagert sein, so dass sich die Dichtungsstege quer nach außen auf die Brennkammerwandung zu bewegen können, insbesondere etwa quer zur Rotationsachse des Rotationskolbens. Insbesondere können die genannten Dichtungsstege in schlitzförmigen oder nutformigen Kolbenausnehmungen aufgenommen bzw. geführt sein, so dass die Dichtungsstege aus dem Kolben ausfahren können und/oder in den Kolben einfahren können, um in der gewünschten Weise dichtend an der Brennkammerwandung anliegen zu können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die genannten beweglich gelagerten Dichtungsstege am Rotationskolben über ein Magnetfeld gegen die umgebende Brennkammerwandung gedrückt werden bzw. in die dichtende Stellung vorgespannt werden, wobei am Verbrennungsmotor ein Magnetfelderzeuger zum Erzeugen eines Magnetfelds vorgesehen sein kann, das die Dichtungsstege an die Brennkammerwandung zieht oder drückt. Der genannte Magnetfelderzeuger kann hierbei insbesondere von dem zuvor erläuterten Stator bzw. dessen Statorwicklung gebildet sein, die bei geeigneter Bestromung ein Magnetfeld erzeugt, das die Dichtungsstege nach außen zieht.
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Dem genannten Magnetfelderzeuger kann in Weiterbildung der Erfindung eine Steuerungsvorrichtung zugeordnet sein, die das die Dichtungsstege verstellende Magnetfeld in Abhängigkeit des Betriebsmodus des Hybridantriebs steuern kann, insbesondere derart, dass die Dichtungsstege nur bei Verbrennungsbetrieb nach außen gegen die Brennkammerwandungen gespannt werden und bei nur elektromotorischem Betrieb nicht gegen die Brennkammerwandung gespannt und/oder von der Brennkammerwandung weg gespannt werden. Die magnetische Vorspannung im Verbrennungsbetrieb erhöht in gewünschter Weise die Dichtungswirkung zwischen Kolben und umgebender Brennkammerwandung. Bei elektromotorischem Betrieb wird im Gegensatz hierzu die Dichtungswirkung zwischen Kolben und Brennkammerwandung verringert, ggf. ganz aufgehoben, wodurch sich der Rotationskolben leichter drehen lässt bzw. der Schleppwiderstand des Verbrennungsmotors reduziert wird, so dass sich der elektromotorische Wirkungsgrad des Hybridantriebs deutlich verbessert.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele und zugehöriger Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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1: eine schematische Schnittansicht durch den Rotationskolben und das den Kolben umgebende Gehäuseteil eines Verbrennungsmotors, in den ein Elektromotor integriert ist, wobei der Rotationskolben exzentrisch gelagert ist und eine Exzenterwelle antreibt, und
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2: eine schematische Schnittansicht durch den Innenläufer und Außenläufer sowie das umgebende Gehäuseteil eines Rotationskolbenmotors, in den ebenfalls ein Elektromotor integriert ist, wobei der Innenläufer und der Außenläufer zentrisch gelagert sind.
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Wie 1 zeigt, kann der Verbrennungsmotor 1 einen Rotationskolben 2 umfassen, der – grob gesprochen – dreieckförmig ausgebildet ist und dabei drei bauchig gekrümmte bzw. bogenförmig konturierte Flanken aufweisen kann. Der genannte Rotationskolben 2 kann dabei um eine Exzenterwelle 3 umlaufen und diese über eine nicht eigens dargestellte Ritzelverzahnung antreiben.
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Der Rotationskolben 2 ist dabei in einen feststehenden Gehäuseteil 4 aufgenommen, dessen Innenkontur doppelbogig bzw. epitrochoid ausgebildet sein kann, so dass der Rotationskolben 2 in an sich bekannter Weise an der von dem Gehäuseteil 4 gebildeten Brennkammerwandung 5 auf seiner Umlaufbahn entlangstreichen und dabei sich im Volumen verändernde Brennkammern definieren kann.
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Über Ein- und Auslässe wird dabei ein Luftbrennstoffgemisch zugeführt bzw. verbranntes Abgas abgeführt, wobei das Entzünden des Gemisches über eine Zündkerze 7 oder eine andere geeignete Zündvorrichtung herbeigeführt werden kann.
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An den Eckbereichen bzw. Übergangsbereichen zwischen den einzelnen bogenförmigen Flankenabschnitten kann der Rotationskolben 2, wie ebenfalls 1 zeigt, Dichtungsstege 8 umfassen, die in schlitz- bzw. nutförmigen Ausnehmungen im Kolben beweglich gelagert sein können, so dass die Dichtungsstege 8 aus dem Kolben 2 aus- und einfahren können, um dichtend an der Innenkontur bzw. der Brennkammerwandung des Gehäuseteils 4 anliegen zu können.
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Wie 1 zeigt, kann in den Rotationskolben 2 der Rotor 9 eines Elektromotors 10 integriert sein, wobei insbesondere eine Rotorwicklung 11 im Inneren des genannten Rotationskolbens 2 aufgenommen sein kann. Die Rotorwicklung 11 kann mit den genannten Dichtungsstegen 8 verbunden sein, wobei die genannten Dichtungsstege 8 Schleifkontakte bilden, um die Rotorwicklung 11 elektrisch an Schleifbahnen und damit Anschlüsse anzubinden, die an dem Gehäuseteil 4 vorgesehen sein können.
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Der Elektromotor 10 umfasst weiterhin einen Stator 12, der an dem Gehäuseteil 4 vorgesehen sein kann. Insbesondere kann eine Statorwicklung 13 in das genannte Gehäuseteil 4 integriert sein.
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Die genannten Dichtungsstege 8 bestehen vorteilhafterweise aus einem auf ein Magnetfeld reagierenden Material, beispielsweise Metall, um magnetisch nach außen gegen die Brennkammerwandung gespannt werden zu können. Hierzu kann an dem Gehäuseteil 4 ein Magnetfelderzeuger 14 vorgesehen sein, der von der genannten Statorwicklung 13 gebildet oder alternativ auch separat hiervon ausgebildet sein kann.
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Wie 2 zeigt, kann der Rotationskolbenmotor 1 auch einen zentrisch gelagerten Rotationskolben 2 in Form eines Innenläufers aufweisen, der in einem ebenfalls drehbar gelagerten Außenläufer drehbar aufgenommen sein kann, der eine doppelbogige, insbesondere epitrochoide Innenausnehmung besitzen kann, in der der Rotationskolben 2 umläuft und dabei in entsprechender Weise sich im Volumen veränderte Brennkammern definiert.
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Der Elektromotor 10 kann dabei derart in den Rotationskolbenmotor integriert sein, dass der Rotor in den genannten Außenläufer 2b integriert ist, während der Stator in das den Außenläufer 2b umgebende Außengehäuseteil 4 integriert ist. Alternativ wäre es auch denkbar, den Rotor in den Innenläufer und den Stator in den Außenläufer zu integrieren.
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Im Übrigen entspricht die Ausführung nach 2 der Ausführung nach 1, insbesondere hinsichtlich den Dichtungsstegen, so dass auf die vorhergehende Beschreibung verwiesen werden darf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0306157 [0002]
- WO 00/71888 A2 [0004]
- DE 102011118116 A1 [0004]
- DE 3139357 C2 [0004]
