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Rotationskolbenmotor Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor
mit einer kreiszylindrischen Hauptkammer, in der ein n-kantiger Drehkolben zentrisch
rotiert und die von mindestens zwei Nebenkammern konzentrisch umgeben ist, die über
einen Bereich ihres Umfangs mit -der Hauptkammer verbunden sind und mit Steuerkolben,
die auf in den Nebenkammern gelagerten Wellen angebracht sind und mit dem Drehkolben
die gleiche Drehrichtung aufweisen derart, daß die Steuerkolben gemeinsam mit der
Kante des Drehkolbens die an mindestens einen Ein- bzw. Auslaßkanal angeschlossenen
Arbeitsräume bilden, wobei das Verhältnis der Winkelgeschwindigkeiten zwischen Steuerkolbenwelle
und Drehkolben konstant ist und das Drehzahlverhältnis der Steuerkolben zum Drehkolben
der Hälfte des n-kantenfachen Wertes des Drehkolbens entspricht.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rotationskolbenmotor
der genannten Art zu schaffen, der bei kompakt Außenmaßen und einfacher Bauweise
ausreichend große Arbeitsvolumina zur Verfügung stellt und den Anforderungen an
einen optimalen thermischen und mechanischen Wirkunsgrad mit Hilfe einer für den
Verbrennungsablauf günstigen Brennraumgestaltung und dem konstruktiven Verzicht
auf oszillierende Massen von Arbeitsteilen und Steuerungselementen gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird für einen Rotationskolbenmotor der genannten Art
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Steuerkolbenmittelpunkt auf einer Kreisbahn
exzentrisch zur Nebenkammer umläuft, wobei je halber Umdrehung der Steuerkolbenwelle
der Steuerkolbenmittelpunkt einen Vollkreis beschreibt und das Profil der ellipsoid
zylindrischen Nebenkammer dem geometrischen Ort der Punkte entspricht, die von den
Kanten der Steuerkolben berührt werden, daß das Mantelprofil von Steuerkolben und
Drehkolben durch das gegenseitige Abwälzen gebildet ist.
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Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung, Figur 1, die
eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der Erfindung im Schnitt
darstellt, beispielshalber erläutert.
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Figur 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors,
bei dem in einem Gehäuse 10 eine Welle 11 zentrisch gelagert ist, auf der ein Kolben
12 fest angeordnet ist. Der Kolben hat im Querschnitt die Form eines gleichseitigen
Dreiecks, dessen Spitzen bogenförmig verbunden sind. Die Spitzen bilden in Achsrichtung
des Kolbens Kanten, die mit den Buchstaben A,B und C bezeichnet sind. Der Kolben
12 ist in einer kreiszylindrischen Hauptkammer 13 des Gehäuses 10 angeordnet und
liegt mit seinen Kanten AEg an der Mantelfläche 14 der Hauptkammer 13 an. Die Hauptkammer
13 ist von zwei gleichgroßen ellipsoid zylindrischen Nebenkammern E und F umgeben,
deren Durchmesser wesentlich kleiner ist als der Durchmesser der Hauptkammer 13.
Die Achsen der Nebenkammern E und F liegen auf einer zur Welle 11 konzentrischen
Kreislinie, so daß die Mantelflächen 15 der Nebenkammern die Mantelfläche 14 der
Hauptkammer schneiden. In jeder Nebenkammer ist exzentrisch eine Welle 16 gelagert,
auf der ein quaderförmiger Steuerkolben 17 zur Welle radial beweglich, in Drehrichtung
fest angeordnet ist. Die Seitenflächen der Steuerkolben laufen konvex zu Kanten
Q,R,S,T zusammen.
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An den Kanten Q,R,S,T der Steuerkolben sind Dichtleisten 30, an den
Kanten des Drehkolbens sind Dichtleisten 31 eingelassen.
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Die Steuerkolbenwellen 16 sind mit der Welle 11 des Kolbens 12 in
geeigneter Weise,z.B. durch Zahnräder, Ketten- oder Zahnriementrieb (nicht dargestellt)
,verbunden und weisen die gleiche Drehrichtung auf. Das Drehzahlverhältnis zwischen
den Steuerkolbenwellen 16 und der Welle 11 des Kolbens 12 beträgt 3:2.
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Im Bereich der angrenzenden Mantelflächen der Hauptkammer 13 und der
Nebenkammer F sind ein Einlaßkanal 20 und ein Auslaßkanal 21 vorgesehen. Die Nebenkammer
E dient als Brennraum und ist mit einer Zündeinrichtung 22 ausgestattet.
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Das Profil der Mantelflächen 15 der Nebenkammern E und F entspricht
dem geometrischen Ort der Punkte, die die Kanten QrR,S,T der Steuerkolben während
der Drehung der Steuerkolbenwelle 16 und damit des Steuerkolbens 17 selbst (Steuerkolben
und Steuerkolbenwelle sind in Drehrichtung fest verbunden) beschreiben, wobei der
Mittelpunkt (gleichbedeutend mit Schwerpunkt) des Steuerkolbens 17 sich auf einer
Kreisbahn bewegt und zwar so, daß je halber Umdrehung der Steuerkolbenwelle 16,
der Mittelpunkt des Steuerkolbens exakt einen Vollkreis durchläuft. Der Steuerkolben
17 bewegt sich im Drehverlauf relativ zur Steuerkolbenwelle 16 auf dieser radial
hin und her, während sein Mittelpunkt (Schwerpunkt) eine gleichförmige Kreisbewegung
vollführt.
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Es ist eine weitere, nicht dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmotors denkbar, bei der die Steuerkolben jeweils auf einer Exzenterwelle
gelagert sind.
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Das konvexe Mantelprofil des Drehkolbens entspricht dem geometrischen
Ort all der Punkte, die durch den Eingriff der Kante (Q,R,S,T) des Steuerkolbens
in den Kreiszylinder der Hauptkammer an dem sich vorbeidrehenden Kolben 12 bestimmt
werden1 wobei der Mittelpunkt der Steuerkolben 17 einen Kreis beschreibt und der
Mittelpunkt des Drehkolbens 12 sich zentrisch dreht.
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Das konvexe Mantelprofil der quaderförmigen Steuerkolben 17 entspricht
dem geometrischen Ort all der Punkte, die durch den Eingriff der Kante (A,B,C) des
Drehkolbens 12 in den ellipsoiden Zylinder der Nebenkammer an dem sich drehenden
Steuerkolben bestimmt werden, wobei der Mittelpunkt des Steuerkolbens 17 einen Kreis
beschreibt und der Mittelpunkt des Drehkolbens 12 sich zentrisch dreht.
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Steuerkolben und Drehkolben wälzen sich im Bewegungsablauf über ihre
Kanten gegeneinander ab, wobei jeweils eine Kante (Q,R,S,T) des Steuerkolbens das
Mantelprofil des Drehkolbens 12, bzw. eine Kante (A,B,C) des Drehkolbens das Mantelprofil
der Steuerkolben beschreibt. Steuerkolben und Drehkolben stehen prinzipiell ständig
über ihre Kanten in Berührung.
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Es sind weitere, nicht dargestellte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmotors denkbar, bei denen der Drehkolben beispielsweise 2-kantig
oder 4-kantig ausgebildet ist, wobei stets gilt, daß das Drehzahlverhältnis der
Steuerkolben zum Drehkolben der Hälfte des n-kantenfachen Wertes des Drehkolbens
entspricht.
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Nachfolgend wird die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors
nach dem Viertakt-Ottoprinzip anhand der Ausführungsform nach Figur 1 beschrieben:
Eine Ausgangsstellung des Motors ist erreicht, wenn z.B. die Kante A des Drehkolbens
12 die in Figur 1 dargestellte Position erreicht hat. Der Raum in der Nebenkammer
E ist durch den Steuerkolben 17 voll abgeschlossen und das darin komprimierte Kraftstoff-Luft-Gemisch
ist bereits gezündet. Im Weiterdrehen (Uhrzeigersinn) geleitet die Kante A des Drehkolbens
12 am Steuerkolben 17 vorbei und geht auf die Mantelfläche 14 der Hauptkammer 13
über, während die Kante R des Steuerkolbens
in den Kreiszylinder
der Hauptkammer eintritt. Der Verbrennungsdruck beginnt auf den Drehkolben 12 zu
wirken, füllt das hinter der Kante A sich vergrößernde Volumen aus und treibt den
Kolben 12 in Drehrichtung an. Hat der Arbeitsraum sein maximales Volumen erreicht,
so befindet sich die Kante A bereits im Bereich des Auslaßkanals 21 und gibt die
Verbindung zu diesem frei, so daß die Abgase entweichen können. Die Kante A gleitet
am Steuerkolben 17 der Nebenkammer F vorbei und bildet im Bereich des Einlaßkanals
20 ein sich vergrößerndes Volumen, in das frisches Kraftstoff-Luft-Gemisch eingesaugt
wird, während die Xante C indessen die vor sich befindlichen Abgase nahezu vollständig
zum Auslaßkanal herausdrückt. Die Kante C geleitet im weiteren Verlauf am Steuerkolben
17 der Nebenkammer F vorbei, schließt das vor sich befindliche mit Frischgas angefüllte
Volumen gegen den Einlaßkanal ah und komprimiert es schließlich in den Brennraum
der Nebenkammer E. Damit ist die Ausgangsposition des Viertakt-Prozesses erreicht.
Hinter jeder Kante (A,B,C) des Kolbens 12 vollziehen sich phasenversetzt die jeweils
gleichen Arbeitsvorgänge. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 erfolgen somit
pro Umdrehung des Kolbens 12 drei Zündungen eines komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches.
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Aufgrund der zentrischen Lagerung des Drehkolbenmittelpunktes (gleichbedeutend
mit Drehkolbenschwerpunkt) und den auf einer Kreisbahn umlaufenden Steuerkolbenmittelpunkten
(gleichbedeutend mit Steuerkolbenschwerpunkten) treten bei dem erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmotor ausschließlich gleichförmige Bewegungen der Arbeitsteile auf,
so daß selbst bei extrem hohen Drehzahlen aufgrund geringer Massenkräfte ein günstiger
mechanischer Wirkungsgrad und vibrationsfreier Lauf gewährleistet sind.
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Weitere positive Auswirkungen auf die Leistungsbilanz des Motors können
zurückgeführt werden auf die kompakte Brennraumform, die mit ihren günstigen thermischen
Voraussetzungen im Zusammenwirken mit einer kräftigen Durchwirbelung des Kraft stoff-Luft-Gemisches
durch den Bewegungsablauf der Kolben und den extrem groß dimensionierbaren Ein-
und Auslaßkanälen eine optimale, schwachstoffarme Verbrennung sicherstellt.