DE3539648A1 - Ein vier-takt-rotationszylindermotor der otto-brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vier-Takt-Rotationszylinder- Motor der Otto-Brennkraftmaschine, welcher nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 aus einem scheibenförmigen Rotor, mehreren im Rotor radial angeordneten Verbrennungszylindern, die freie Kolben enthalten, einem Trochoid, einem Rotorscaft und einer Kupplung besteht.

Im Zuge der Entwicklung der Verbrennungsmotoren hat sich der Bedarf nach höherem mechanischen Wirkungsgrad, niedrigerem spezifischem Kraftstoffverbrauch und besserer Abgasqualität in letzter Zeit zunehmend gehoben. Es werden daher Motoren von niedrigerem Gewicht angestrebt, welche durch den Ersatz einiger Bauteile der vorhandenen Motorenbauarten durch dieselben aus Kunststoff erzielt werden können. Jede der bekannten Gestaltungen der Verbrennungsmotoren, welche den Kurbelantriebs-, Drehkolben- oder Gasturbinenmotorenarten zugeordnet werden kann, hat ihre Vorteile, jedoch auch ihre Nachteile. Obwohl sich die Entwicklung und die Anwendung des Kurbelantriebs eingesetzt hatte, nimmt das Bestreben zur Entwicklung der anderen Motorenarten zu [1 + 4]. Dieses Bestreben ist durch die unvermeidlichen Nachteile des Kurbelantriebs verursacht worden, welche durch Entwicklung noch nicht zu beheben sind. Einige in der Literatur allgemein bekannte Nachteile des Kurbelantriebs [1 + 5] sind zusammengefaßt wie folgt:
1. Die Kurbelwellendeformation ist sehr empfindlich zur Kurbelschenkelatmung, welche auch von der Wärmedehnung und Biegeelastizität der Kurbelwelle beeinflußt wird [5].
2. Zusatzkräfte können die beaufschlagte Lagerfläche eines Grundlagers stark verlagern [5].
3. Kleine Flächen der Preßplatte führen infolge zu hoher Drücke zur Pressplattendeformation [1, 5].
4. Die Massenkräfte können ohne Ausgleichesgewichte nur in den Boxermotoren konstruktive ausgeglichen werden [2, 3].
5. Ungleichförmigkeit des Drehmoments ist von der Zylinderanordnung und deren Reihenfolge bei der Zündung sowie von ihrer Reihenfolge in Bezug auf das Schwungrad abhängig [1 + 5].
6. Das Erfordernis von vielen Bauteilen zur Kräfteübertragung und zum Kräfteausgleich [1 + 3].
7. Große Volumen- und Gewichtserfordernisse für den Kurbelantrieb selbst [1, 2].
8. Zusätzliche Momente, wie Biege-, Kipp- und Torsionsmomente [1 + 5].

Bei den Kreis- und Drehkolbenmotoren, mit denen man die Nachteile des Kurbelantriebs zu umgehen versuchte, sind folgende Nachteile allgemein bekannt:
1. Schlechte und schwierige Kühlung der Epitrochoidenzylinder und des Kolbens [1, 3, 4].
2. Schlechte Abdichtung der Arbeitsräume zwischen Kolben und Epitrochoid [1, 4].
3. Die Massenkräfte sind zwar stark reduziert, jedoch nicht total vermieden und müssen auch ausgeglichen werden [1 + 4].
4. Es sind Planetengetriebe zur Kräfteübertragung und Schwungrad zum Ausgleich der Ungleichförmigkeit des Drehmoments erforderlich [1, 2, 4].
5. Hoher spezifischer Kraftstoffverbrauch [1, 4].
6. Kurze Lebensdauer der verschiedenen Teile [1].

Auch die Gasturbinen haben folgende Nachteile:
1. Zu hoher Kraftstoffverbrauch [1, 4].
2. Fehlende Bremswirkung durch den Motor [4].
3. Beschleunigungsverzug [1, 4].
4. Geräuschprobleme [4].
5. Starke Abhängigkeit der Leistung von der Außentemperatur [3, 4].
6. Abdichtungsprobleme zwischen kühlen und heißen Zonen über eine lange Zeit [4].

Der Rotationszylindermotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 stellt einen neuen Bauart der Otto-Brennkraftmaschine dar, mit dem die beschriebenen Nachteile hauptsächlich vermieden werden. Im Arbeitshub des Vier-Takt-Rotationszylindermotor wird der Kolben unter Gasdruck in axialer Richtung nach außen geschoben. Die mit dem Kolben fest verankerte Pleuelstange ((41) in Bild 1 + 3), welche als ein Teil des Kolbens (2) betrachtet werden kann, gleitet nach außen an einem vom Motorgehäuse (12) gebildeten Epitrochoid (1). Die erzeugte tangenzialkraft ist die Drehkraft des Rotors (5) um seine Achse C. Der Drehmoment ergibt sich aus der - je nach mometaner Neigung des Trochoides und der momentanen Gaskraft - resultierenden Tangenzialkraft und dem sich mit der Bewegung des Kolbens ergebenden Radius um die Achse C des Rotors. Beim weiteren Drehen des Rotors (5) wird der Kolben (2) von dem Trochoid (1) ins Innere des Zylinders geschoben und schiebt bei geöffneten Auslaßventilen (22) die Abgase aus dem Zylinder, welche über die Abgasleitung ((7) in Bild 9) ins freie gelangen. Beim weiteren Drehen des Rotors gleitet der Kolben unter Einwirkung der Fliehkraft an dem Trochoid nach außen, wodurch die Frischladung bei geöffneten Einlaßventilen (21) von außen in den Zylinder über die Frischladungzufuhrskanal ((8) in Bild 9) einströmt. In dem Verdichtungshub wird der Kolben vom dem Trochoid nach Innen geschoben, wobei bei geschloßenen Ventilen die Frischladung bis auf das Volumen des Verbrennungsraumes verdichtet wird. Gegen Ende des Verdichtungshubes wird die Verbrennung des Gemisches von der Zündkerze ((25) in Bild 4) gestartet, und im Laufe des nächsten Arbeitshubes beendet.

In dem im Bild (1 u 2) gezeichneten Motor erfährt der Kolben jedes Zylinders 8 Hübe je Umdrehung. Jede gegenseitig gebaute 2 Zylinder haben zur gleichen Zeit den gleichen Hub. Radiale Kräfte gleichen sich somit total aus. Daher wirkt auf der Motorachse nur eine reine Tangenzialkraft. Diese Beschreibung gilt im allgemeinen für jede Zylinderpaarung. Die Zylinderzahl läßt sich daher auf 4, 6, 8, 10, . . . etc einstellen. Wie beim Wankelmotor ist die Art der Hübe am Trochoid ortsgebunden. So wird bespielsweise, wie in dem Bild (10) angegeben ist, der Arbeitshub in den Winkeln (BCD) und (GCH) durchgeführt. Je nach Formgebung des Trochoids lassen sich die Arbeits- und Kraftsverläufe sowie die relative Länge der verschiedenen Hübe einstellen. So kann z. B. die Länge des Saughubes von (OA) auf (OÄ) vergrößert werden, damit ein besserer Füllgrad erzielt wird. Der Verdichtungshub kann dagegen von (AB) auf (ÄB) verkürzt werden. So wird die thermische Leistung geringfügig verbessert. Der Ausschiebehub kann durch Anpassung seines Verlaufs so eingestellt werden, daß zunächst eine verlängerte Druckabfallsperiode stattfindet, bei der durch Entweichen der Abgase der Druck bis nahe des atmosphärischen Druckes absinkt, wonach eine Ausschiebung der Abgase durch den Kolben erfolgt. So sinkt die erforderliche Arbeitsleistung für den Ladungswechsel auf ihr Minimum. Die erforderliche Arbeitsleistung bei der Verdichtung bleibt jedoch die Gleiche. Der Rollwiderstandsanteil sinkt dabei ab.

Der resultierende Verlauf der Arbeit in dem Arbeitshub kann auch nach der Formgebung des Trochoids beliebig eingestellt werden. So kann z. B. durch geringe Neigung des Trochoids zu Beginn des Arbeitshubs und durch die Zunahme des Drehradius ein homogenerer Arbeitsverlauf erhalten werden, als es im herkömmlichen Kurbelantrieb der Fall ist. Dieser Sachverhalt stellt jedoch hinsichtlich der Ungleichförmigkeit der Drehgeschwindigkeit des Motors kein Problem dar, auf Grund des Ausgleichs der radialen Kräfte und auf Grund der durch diese Bauart genügend vorhandenen Rotationsmasse. Sie ermöglichen dadurch die Optimierung des Druckkraftverlaufs hinsichtlich dem Reibungsverlust des Antriebes. Bei hohem Druck am Anfang des Arbeitshubes kann ein geringer Arbeitsweg erreicht werden, welcher eine höhere Neigung des Trochoids erfordert. Auch eine gesamte Verkürzung des Arbeitshubs führt zu einer Verringerung des Reibungsverlusts. Diese Verkürzung führt auch zur Verringerung der thermischen Belastung und zur Erhöhung des thermischen Wirkunggrades durch geringere Kühlungsverluste. In den bekannten 4-Takt- Verbrennungsmotoren ist der Verlauf der Arbeitsleistung und die Länge der Hübe durch die harmonische Bewegung des Kurbelantriebs bereits definiert und kann daher nicht verändert werden.

Durch Verbrennung und Arbeisleistung dreht sich der Rotor. Dieser besteht, wie es im Bild (3) dargestellt ist, aus dem Zylinderblock (5), und enthält die Zylinderleinen (4) und Kolben (2). Die Ventile (21, 22) und Zündkerzen (25) sind auch an den Rotor anmontiert. Der Rotor (5) dreht sich um die Achse C des Motors und ist am Rotorschaft (6) gelagert. Im Rotorschaft sind die Kühlungs- ((9, 10) im Bild 4 u 9), Ölungs- (11), Frischladungszufuhrs- (8) und Abgasentweichungskanäle (7) fest eingebaut. Für den direkten Antrieb der Einlaß- ((21) im Bild 3) und Auslaßventile (22) ist eine besonders geformte Nocke ((23, 24) im Bild 3, 5 u 6) am Rotorschaft (6) befestigt. Jede der beiden Nocken ((23, 24) im Bild 4) betätigt die Einlaß- bzw Auslaßventile aller Zylinder des Rotors. Die im Rotorschaft eingebauten Kanäle (im Bild 2, 9) sind direkt mit den nötigen Kreislaufteilen verbunden, wie es in den herkömmlichen Verbrennungsmotoren der Fall ist.

Die beschriebene Bauart ist in Bezug auf die Massen- und Drehkräftewirkung mit den Stern-, Dreh- und gegenkolbenmotoren zu vergleichen.

Durch die besondere Formgebung des Trochoids erfährt der Kolben beim gleiten am Trochoid entlang eine harmonisch oszillierende Bewegung. Die Pleuelstange ist mit dem Kolben starr verbunden und bewegt sich daher nur entlang der Zylinderachse. Die dadurch erzeugten Kräfte der hin- und her-oszillierenden Massen haben daher eine reine harmonische Cosinusabhängigkeit von der Zeit und werden theoretisch für den herkömmlichen Kurbelantrieb bei unendlich langer Pleuelstange berechnet [2]. Die für den Kurbelantrieb errechenbaren Massenkräfte zweiter Ordnung, welche den dargestellten Verlauf überlagern und besondere Maßnahmen zu deren Ausgleich erzwingen, sind hier nicht vorhanden.

Im Gegensatz zum Kurbelantrieb haben diese oszillierenden Massen auch zusätzliche Fliehkräfte, welche von der Drehgeschwindigkeit des Rotors und dem momentanen Radius abhängig sind. Dieser Radius, der den Abstand dieser oszillierenden Massen von der Drehachse des Rotors bildet, ändert sich im Laufe eines Hubes um die Hublänge (Bild 11_a).

Durch den in sich gegenseitigen Aufbau der Zylinderpaarungen im Rotor wurde das Prinzip der Gegenkolben verwirklicht, wodurch sich alle Flieh- und oszillierenden Kräfte gegenseitig aufheben. Diese Kräfte werden vom Trochoid und Rotor absorbiert, und daher benötigen sie keine zusätzlichen Ausgleichsmaßnahmen (Bild 11_a). Im Vergleich zum Kurbelantrieb ist das ein Gewichtsersparnis im Motor.

Diese beschriebenen oszillierenden und Fliehkräfte haben eine Komponente, die den Drehmoment des Motors beeinflußt, und dadurch auch die Gleichförmigkeit des Drehmoments. In den Bildern (11_{b, c, d, f, g}) sind diese Drehkomponenten dargestellt. Bei konstantem Radius würden die oszillierenden Massenkräfte den gleichen Effekt wie beim Kurbelantrieb erzeugen. Da sich jedoch der Drehradius ändert, ändern sich auch die resultierenden Drehkomponenten. Sie leisten in dem Verdichtungs- und Ausschiebhub größeren Widerstand (d. h. der negative Anteil wird größer) und in dem Saug- und Arbeitshub größeren Antrieb (d. h. der positive Anteil wird größer). Ihr Summeneffekt bei allen vier Hüben ist jedoch gleich ihrem Effekt im herkömmlichen Kurbelantrieb.

Die Drehkomponenten der Fliehkräfte würden bei konstantem Radius einen Sinusförmigen Verlauf darstellen, deren Werte im Saug- und Arbeitshub positiv (d. h. Arbeit leisten) und im Verdichtungs- und Ausschiebehub negativ. (d. h. Widerstand leisten) sind. Auf Grund Änderung des momentanen Radius werden die Sinuslinien verzerrt, wodurch ihre Maxima zum Ende und ihre Minima zum Beginn des Hubes verschoben werden. Der Summeneffekt in allen Hüben ergibt aber einen den Drehkomponenten der oszillierenden Massen ähnlichen Verlauf.

Die Drehmomente der Gaskräfte ähneln denjenigen des Kurbelantriebs. Sie werden, wie es im Bild (11_e) dargestellt ist, auf Grund der Radiusänderung geringfügig verändert.

Wie oben dargestellt, sind die Summeneffekte der Drehmomente denjenigen des Kurbelantriebs gleich, falls die Drehkomponenten der Fliehkräfte denjenigen der oszillierenden Massen zugeordnet werden. Der Verlauf des Drehmoments der gesamten Zylinder ist daher auch dem des Kurbelantriebs ähnlich. Somit ist die Drehmomentungleichförmigkeit auch gleich. Die auf Seite 13 erläuterte Reduzierung der oszillierenden Massen wirkt auf einer Reduzierung ihrer Drehkraft und auch auf einem auf Seite 9 dargestellten, homogeneren Verlauf des Drehmoments. Dadurch wird eine wesentlich niedrigere Ungleichförmigkeit des Drehmoments erzielt. Ein Unterschied zum Kurbelantrieb läßt sich bei der Verfolgung des Drehmoments längs der Kurbelwelle von dem ersten Zylinder bis zum letzten nahe dem Schwungrad feststellen. Hierin ist die Ungleichförmigkeit des Tangenzialdruckverlaufs am ersten Grundlagerzapfen am größten, und erst am letzten Grundlagerzapfen, wo sich die Beiträge aller Zylinder addieren, wird der Verlauf und somit die Ungleichförmigkeit des Drehmoments dem des gesamten Motors gleich [5]. Im Rotationszylindermotor dagegen addieren sich die Drehmomente simultan und haben daher ihre volle Wirkung auf den Rotor. Es ist zu beachten, daß hier die Fliehkräfte für die Rotorlagerung von Vorteil sind. Sie sorgen außerdem dafür, daß der Kolben der Trochoidenkontur zumindest im Saughub folgt und daher zu einer Minderung der Motorgeräusche beiträgt.

In dieser Bauart war hauptsächlich das Ziel, daß die Rotormasse, welche aus dem Zylinderkopf, -block, -leinen und den Kolben besteht, für den Ausgleich der beschriebenen Drehmomentungleichförmigkeit verwendet wird, und daher den totalen Verzicht des Schwungrads ermöglicht.

Im Bild 1 ist gezeigt worden, daß, damit das Prinzip des totalen Kräfteausgleichs gewahrt bleibt, Zylinderpaarungen von 4, 6, 8 oder 10 Zylindern an einem Rotor gebaut werden. Der Motor ist in dieser Hinsicht besser als die Dreh- und Sternkolbenmotoren. Im Vergleich zum Kurbelantrieb sind hier dadurch keine Biegemomente oder Lagerbeanspruchungen entstanden.

Wie es bereits auf Seite 6 beschrieben ist, sind die Hubarten am Trochoid ortsgebunden. Hierdurch läßt sich die besondere Eigenschaft feststellen, daß eine Änderung der Zylinderzahl und dadurch des gesamten Hubvolumens des Motors nur die Änderung des Rotors erfordert. Der Trochoid und auch der Rotorschaft samt steuerungen bleiben unverändert. Dadurch ist auch ersichtlich, daß eine Anwendung der sogenannten "Zylinderabschalttechnik" durch Sperrung der Kolbenbewegung sehr einfach und effizienter ist als im Kurbelantrieb. Der Hubweg dagegen und somit auch das Verdichungsverhältnis werden vom Trochoid definiert.

Die Wasserkühlung der Zylinder wird vom Rotor direkt angetrieben, indem die Kühlungskanäle im Rotor ((27) im Bild 1, 3) so gebaut werden, daß sie gleichzeitig einen Pumpeffekt beim Rotieren auf das Kühlwasser haben (Bild 8_{a, b}), und das Kühlwasser im gesamten Kühlkreislauf fördern. Nach dem gleichen Prinzip kann auch die Druckschmierung des Motors ((11) im Bild 9) gebaut werden.

Der Rotor benötigt nur ein Viertel der Drehzahl des Kurbelantriebs, um die gleiche Kolbengeschwindigkeit wie die desselben zu verwirklichen. Diese Drehzahlreduzierung des Rotors gegenüber der des Kurbelantriebs wirkt zusammen mit der Reduzierung der Lagerbeanspruchung (Seite 11 ) und der Steuer- und Nebenkreislaufantriebe (Seite 11 u 15 ) auf einer Reduzierung der mechanischen Verluste.

Nachdem das Prinzip und darauf die Dynamik des neuen Rotationszylindermotors erläutert worden ist, werden der Aufbau und die Betriebseigenschaften einiger funktioneller Teile, wie Zylinder, Kolben, Kühlungs- und Schmierungskreislauf . . . etc im Vergleich mit bekannten Systemen beschrieben. Es werden nur die neuen Eigenschaften, welche in den bekannten Systemen nicht vorhanden sind, beschrieben.

Die Zylinderleinen ((4) im Bild 1, 3 u 7) werden bei der Montage vom Außenumfang her in den Rotor geschoben. Sie sind den radialen, nach außen wirkenden Fliehkräften ausgesetzt. Sie werden daher am Außenumfang des Rotors befestigt. Das Lekagenproblem zwischen Zylinderkopf und Zylinderblock, welches im bekannten Kurbelantrieb eine sehr große Rolle spielt, ist hier nicht vorhanden. Daher ist hier weder ein sehr genauer Anschluß des Zylinderleinen an der Verbrennungsraumwandung im Rotor, noch die Montage einer Zylinderblockdichtung nötig. Die Zylinderleine schließt auf der Innenseite an den Verbrennungsraum an. Die Befestigung der Zylinderleine ist beliebig und kann auch zur Führung der Pleuelstange ((35) im Bild 7) mitsamt der Kolben, zur Schmierung (37, 38), zur Aufnahme von Wärmeausdehnungsunterschiede (40, 39) und zur Zylinderausschaltung (34) verwendet werden. Die Führung der Pleuelstange wird nur für die Führung und nicht für die Lagerung benötigt. Daher ist die Beanspruchung niedriger und der erwartete Spielraum größer. Hier wird im Gegensatz zur Pleuel-Kurbelzapfenlagerung nur die Kraftkomponente des Drehmoments, die vom oder zum Kolben übertragen wird, die Führung belasten.

Diese Kraftkomponente des Drehmoments ist hier in Folge des großen Wirkabstandes (5 + 7-fache der Zylinderbohrung D) wesentlich geringer als im Kurbelantrieb. Ein unwesentlicher Teil dieser Drehmomentkraft wird als Klemmkraft vom Kolben auf den Zylinder übertragen, falls der Kolben mit der Pleuel starr verbunden ist. Wird dagegen der Kolben wie im bekannten System mit der Pleuelstange über einen Kolbenbolzen verbunden, so wird diese Kraftkomponente selbst in ihrer Zylinderaxiale und deren senkrechten Komponente, welche der Kolbenreibung zugerechnet wird, auf die Zylinder übertragen und daher wird geringere Reibung verursacht. Dieser Betrag ist jedoch, wie oben beschrieben, gering, und eine gelenkige Verbindung der Pleuelstange mit dem Kolben wird nicht erforderlich.

Im Vergleich zum Kurbelantrieb wird die Pleuelstange im neuen System einer Biege- und Druckbeanspruchung ausgesetzt. Da die Festigkeit des Pleuelmaterials bei der Druckbeanspruchung, wesentlich höher liegt als in der Zugbeanspruchung, trägt diese zur Reduzierung der Pleuelmasse bei. Hinzuzufügen ist, daß die Länge der Pleuelstange nur das 1,5-fache der Zylinderbohrung beträgt, und daher sind die erwarteten Biegemomente an der Pleuelstange gering.

Die Kolbenschmierung wird in den bekannten Systemen entweder nach dem Tauchkolbenprinzip oder unter Druck über die Kurbelwelle und den Pleuel durch eingebaute Kanäle ausgeführt. Im neuen System ist die Kolbenschmierung nach dem Tauchkolbenprinzip von selbst gegeben. Dieses ist möglicherweise gegen das innere Ende des Kolbenwegs für die Zylinderschmierung nicht ausreichend. Daher ist wahrscheinlich eine Druckschmierung notwendig. Zu deren Realisierung wird die Führung der Pleuelstange ((3) im Bild 7) über Kanäle, welche in das Führungs- bzw. Zylinderbefestigungsteil eingebaut sind, vom Rotor mit Öl unter Druck beliefert. Somit werden die einzelnen Kolben mit Schmieröl beliefert, welche den erforderlichen Öldruck niedriger hält und die Schmierleistung effizienter als in bekannten Systemen macht.

Neben der Schmierung der Führung der Pleuelstange werden die Kolbenringe von den Kanälen in der Pleuelstange und dem Kolben aus geölt. Auch die Rotorlagerung am Rotorschaft wird unter Druck mit Öl versorgt und dadurch geölt. Der Trochoid wird von selbst durch die Schleuderwirkung auf das Öl in dem Motorgehäuse geölt.

Die Durchpumpung des Öls und des Kühlwassers im Öl- bzw. Kühlwasserkreislauf wurde bereits auf Seite 11 beschrieben. Das Kühlwasser wird in den Zylindermantel gepumpt, wodurch die Zylinder gekühlt werden. Da sich der Rotor im Motorgehäuse dreht und auf diese Weise mit Öl in Berührung kommt, wird neben der Schmierung der Ventilantriebe eine Kühlung des Öls erreicht. In den Kurbelantriebssystemen wird eine Kühlung des Öls erst über extra dafür gebaute Teile erreicht.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Aufbaus ist auch noch die die Möglichkeit der Abschaltung einiger Zylinder. Im Kurbelantriebssystem wird ein komplizierter Mechanismus erforderlich. Außerdem ändern sich so die Massenkräfte der oszillierenden Massen und deren Reibungsverluste nicht. Die Drehmomente und die Kräfteverläufe ändern sich dadurch drastisch und verursachen ein gewisses Maß an Laufunruhe. In diesem neuen System, in dem die Kolben samt Pleuelstange frei laufende oszillierende Körper darstellen, kann eine einfache, elektromagnetisch betätigbare und an der Führung der Pleuelstange gebaute Sperre ((34) im Bild 7) zu einer Sperrung der Kolben samt Pleuelstange am Ende des Ausschubhubs am innersten Ende des Hubwegs führen. Dadurch, obwohl die Ventile weiter betätigt werden, können alle zwei gegenüberstehenden Zylinder gleichzeitig ausgeschaltet werden.

Die Fliehmasse reduziert sich dadurch um den Betrag (m · l/r), wobei r der Abstand der Hubwegmitte von der Drehachse C des Rotors und l die Hubweglänge ist. Die Kräfte und die Drehmomentbeiträge der abgeschalteten Zylinder werden dadurch vollkommen ausgeschaltet. Der Rotor kann deshalb betrachtet werden als ob er nur die restlichen Zylinder enthalten würde.

Obwohl im Kurbelantrieb durch die Abschaltung der Zylinder nur die Gaskräfte und deren Drehmomente dementsprechend ausgeschaltet sind, bleiben im Gegensatz zum neuen System die mechanischen Verluste dieselben, wenn sie durch die angestiegene Biegemomentbeanspruchung nicht erhöht werden. Beim Kurbelantrieb wird die Drehmomentungleichförmigkeit allein durch das Fehlen der Gaskräfte bei der Zylinderabschaltung wesentlich verstärkt. Um große Laufunruhe zu vermeiden, muß man bei der Zylinderabschaltung im Kurbelantriebssystem eine Gegenmaßnahme ergreifen, z. B. den Bau von einem noch größeren Schwungrad.

Sowohl die Einlaß- als auch die Auslaßventile werden durch die Bewegung des Rotors zwangsläufig von einem besonderen extra dafür gebauten Nocken ((23, 24) im Bild 5 u 6) bewegt. Diese Nocken sind am Rotorschaft befestigt, und daher ist auch ihre relative Lage zum Trochoid festgelegt. Im Gegensatz zum Kurbelantrieb benötigen sie keinen mechanischen Antrieb über Zahnräder oder Gestänge. Hier zeichnen sie sich durch genauere Einstellung und niedrigere Antriebskraft aus als im Kurbelantrieb. Dennoch werden sie von selbst geölt. Die Ventilstangen werden durch die Drehwirkung wesentlich besser gekühlt. Sie sind einfach gebaut, bedienungs- und betriebsfreudig.

Über den Saugkanal im Rotorschaft ((8) im Bild 9) strömt die Frischladung direkt ((33, 31) im Bild 4) durch den Einlaßventilvorraum (28) und das Einlaßventil (21) in den Zylinder, welcher sich an der Stelle des Saughubs befindet. Da diese Stelle des Saughubs und der Einlaßventilöffnung vom Trochoid festgelegt sind, ändert sich die Strömung der Frischladung nicht, obwohl die in Bild 1 gezeigten acht Zylinder dadurch beliefert werden. Dieser extrem kurze Weg der Frischladung und die Beibehaltung der Strömungsrichtung und die kontinuität der Strömung tragen zu einem Liefergrad ≦λτ 1 bei. Außerdem existiert die im Kurbelantrieb festgestellte Schwankung der Kraftstoffladung [4] in Folge Abzweigung und Diskontinuität der Strömung im Vergasersystem hier nicht mehr. Dieser Aufbau erleichtert auch die Anwendung des Prinzips der Vorerwärmung der Frischladung oder des in der Offenlegungsschrift (DE 34 14 168.5) beschriebenen Kraftstoffzufuhrsverfahrens.

Wie bei der Frischladungszufuhr gilt auch bei der Abgasführung die Eigenschaft, daß der Abgasführungskanal im Rotorschaft kurz und für die acht Zylinder gemeinsam ohne Abzweigung oder Änderung der Strömungsrichtung gebaut ist ((7) im Bild 9), und daher leistet er niedrigeren Widerstand gegen die Abgasströmung als im Kurbelantrieb. Durch den unterbrochenen Anschluß des Abgasraums vor dem Auslaßventil zum Abgaskanal für alle Zylinder außerhalb des Ausschubhubs ((30) u (32) im Bild 4) und durch die Drehwirkung des Rotors wird zusätzlich zu der auf Seite 15 beschriebenen Kühlung der Ventile eine wesentlich bessere Kühlung des Auslaßventilraums erreicht.

Bei der Abgasführung, sowie auch bei der Frischladungs-, Kühlwasser- und Ölführung im allgemeinen der Fall ist, wird die Lekage beim Übergang vom Rotor zur Rotorachse oder umgekehrt durch den Einbau vom Dichtungsringen verhindert. In diesem Sinne wurden die verschiedenen Führungen wie im Bild 4 angeordnet. Trotzdem hat die Abgaslekage zum Frischladungsstrom in den erwarteten sehr geringen Mengen einen verbesserenden Einfluß auf die Abgasqualität [4]. Die Lekage der Abgase über die Rotorachse zum Motorgehäuse ist, auf Grund des niedrigeren Wirkdrucks als im Zylinder, wesentlich geringer als die normale Leckage eines Zylinders und daher benötigt sie keine besonderen Maßnahmen und kann zu den Leckagen der Zylinder gezählt werden.

Prinzipiell kann der Rotorschaft und der Trochoid samt Motorgehäuse als ein Teil gebaut werden, jedoch wird die Rotorachse aus Montage- und Bedienungsgründen getrennt gebaut und mit dem Motorgehäuse befestigt. Die verschiedenen Führungen (im Bild 9 u Seite 15 ) werden erst außerhalb des Motorgehäuses an die ergänzenden Teile jedes Kreislaufs angeschloßen. Die Kupplung dagegen wird innerhalb des Motorgehäuses am Rotor befestigt. Eine Abdichtung gegen Ölleckage zur Kupplung ist dann an der Stellen ((43) im Bild 3) notwendig. Hier wird die Schleuderkraft zur Ölabweisung und Rückführung und daher auch zur Verhinderung der Ölleckage zur Kupplung verwendet.

Der große Durchmesser des Rotors gegenüber dem Schwungrad des Kurbelantriebs und dem Drehkolbenmotor erleichtert die Aufgabe des Anlassermotors und bietet größere Freiheit bei der Bau einer optimalen Kupplung. So kann bei den mechanischen Kupplung eine große Reibungsscheibe und eine extrem dünne Druckplatte gebaut werden. Die Druckfedern der Kupplung können um einiges entlastet werden, weil die erforderliche Druckkraft einer größeren Reibungsscheibe kleiner ist. Auch die Dämpfungsfedern in der Reibungsscheibe können in der Zahl erhöht und selbst entlastet werden.

In diesem Aufbau treibt der Anlassermotor den Rotor direkt an. Die vom Anlassermotor angewandte Energie wird dem Rotor als reine Drehkraft übertragen. Der notwendige Drehmoment wird im Vergleich zum Kurbelantrieb durch mehrere Faktoren reduziert. Zu diesen Faktoren zählt neben der erzielten Massen- und Trägheitsverringerung der zu bewegenden Teile und der Begrenzung des Antriebs auf möglichst reine Drehmomentübertragung die Anwendung des Zylinderabschaltverfahrens beim Anfahren.

In diesem Zylinderabschaltverfahren werden zunächst alle Kolben in das Zylinderinnere gesperrt, wodurch der Rotor als eine Scheibe angesehen werden kann und nur deren Beschleunigung und die Überwindung ihrer Reibung bei der Lagerung an der Rotorachse benötigt werden. Beim Erreichen einer Bestimmten Drehzahl können die Kolben nacheinander paarweise entriegelt werden. Hierdurch wird ein Teil der im Rotor gespeicherten Anlasserenergie bei der Abbremsung der momentanen Anlasser Energie zugesetzt, um den Motor anzutreiben. Hier ist zubeachten, daß der Drehmoment des Rotors bei gesperrtem Kolben aufgrund der radialen Massenverschiebung um den auf die Seite 15 beschriebenen Betrag kleiner wird.

Der große Radius des Rotors und die dadurch klein gehaltene Drehzahl ergeben niedrige Kräfte. Das Rotormaterial wird durch diese Drehmomentübertragung wenig beansprucht. Um reine Drehmomentübertragung des Rotors zu gewährleisten, wird eine seitliche Stützung des Rotors möglicherweise notwendig. Diese Stützung ist einfach am Rotorgehäuse angebracht. Ihr Reibungsanteil ist aufgrund der Gestaltung der Kräfteübertragung vernachlässigbar. Sie kann jedenfalls nur bei falschem Zusammenbau in Aktion treten.

Wie bei bekannten Motoren der Fall ist, leistet die Gehäuse und ihrer Befestigung die Reaktionskraft. Der Rotor erzeugt durch die Verbrennung eine Druck- und Drehkraft. Nur die Drehkraftreaktion und das Gewicht werden über dem Trochoid an das Tragegestell weiter geleitet. Die Druck Kräfte an dem Trochoid wirken gegenseitig und werden das Material des Trochoids beanspruchen. In deren Maß wird die Festigkeit des Trochoids berücksichtigt. Aus wirtschaftlichen Gründen wird daher nur der Trochoid aus einem Material höherer Festigkeit als der Rest der Gehäuse gebaut. Obwohl der Trochoid die Kurbelwelle in dem Kurbelantrieb ersetzt, ist der Trochoid gleichzeitig als ein Teil der Gehäuse zu betrachten. Das Volumen des Motors ist in dem Maße so reduziert und seine Gestaltung ist so kompakt, daß die Reaktionskraft auf eine einfache Weise ohne Auftreten zusätzliche Kräfte dem Tragegestell übertragen wird.

Nach dem die funktionellen Teile des neuen Antriebssystems durch den Vergleich mit dem bekannten Kurbelantriebssystem erläutert wurden, kann dann der neue Motor als Ganzes mit den bekannten Kurbelantriebsmotoren verglichen.

Durch eine gänzliche Verkürzung der Drehachse des Motors wurden im Gegensatz zur Kurbelantriebsmotoren unerwünschte Momente vermieden, welche von der Länge der Drehachse, nämlich die Torsions-, Kipp- und Biegemomente, abhängig sind. Die Bremsarbeit wird direkt dem Rotor in Form von Drehmomentwiderstand Überlagert. Die Umsetzung in den unerwünschten Momenten findet hier nicht statt und die Motorteile bleiben von dieser Belastung verschont.

Die mechanischen Verluste werden durch dieser Art der Kraftübertragung auch durch den reduzierten Massen und Volumen und den direkten Antrieb von Nebenkreisläufe, wie Schmier-, Kühlwasser-, Ventil- und Zündungskreisläufe, reduziert. Die Massenreduktion gegenüber des Kurbelantriebssystems ist um so größer je höher der Zylinderzahl, da bei einer Erhöhung der Zylinderzahl des Motors von 4 auf 8 Zylindern die Rotormasse sehr gering zunimmt, wobei sich die Masse des Kurbelantriebs fast verdoppelt. Durch die Reduktion der Größe und Masse des Pleuels sind die Drehkomponente der oszillierenden Massen reduziert und abgesehen von der Wirkradiusänderung (Seite 9, 10) werden bei 4-Zylindermotoren die Drehmomentungleichförmigkeit geringer. Bei 8-Zylindermotoren ist in diesem Antrieb das optimale Verhalten zu erwarten. Diese reduzierte Drehmomentungleichförmigkeit und die erhöhte Masse des Rotors als Drehmasse ergeben bessere Laufruhe.

Zuletzt kann festgestellt werden, daß die Gestaltung des Rotationszalindermotors dem Gleichstromelektromotor ähnlich ist, wenn die folgenden funktionellen Teile in dem Rotationszylindermotor und in dem Gleichstrommotor Verglichen werden:
Rotor - Anker, Rotorschaft - Kommutator, nach innen stehende Teile des Trochoidkontur - Pole, der Drehmoment der Gaskräfte - der Drehmoment der elektromagnetischen Induktion, der Frischladungsstrom - der Ankerstrom und die Zylinder im Rotor - die Spulen am Anker.

Literaturverzeichnis

1. Sezgen, H. International Combustion Engine Design Ankara 1975.

2. Kreamer, O. und G. Jungbluth Bau und Berechnung von Verbrennungsmotoren, 4 und 5. Auflage Berlin, Tokyo, Heidelberg, New York, Springer Verlag 1983.

3. Bussien, R. Automobiletechnisches Handbuch. 17. Aufl. Tech. Verlag Herbert Cram. Berlin 1953

4. Bussien, R. Automobiletechnisches Handbuch. 19. Aufl. Tech. Verlag Herbert Cram. Berlin 1980.

5. Maas, H. und H. Klier Kräfte, Momente und deren Ausgleich in der Verbrennungskraftmaschine. Springer Verlag Wien, New York, 1984.

• Bezeichnungsliste  1. Trochoid
   2. Freie Kolben
   3. Kolbenführung
   4. Zylinderleinen
   5. Rotor
   6. Rotorschaft
   7. Abgaskanal
   8. Frischladungzufuhrskanal
   9. Kühlwasserzufuhrskanal
  10. Kühlwasserabführungskanal
  11. Ölzufuhrskanal bei der Druckschmierung
  12. Motorgehäuse
  13. Anlasser
  14. Kupplung
  15. Kupplungsreibblatte
  16. Kupplungsdruckblatte
  17. Kupplungsdruckfedern
  18. Kupplungsantrieb
  19. Antriebswelle
  20. Lager
  21. Einlaßventil
  22. Auslaßventil
  23. Einlaßventilnocken
  24. Auslaßventilnocken
  25. Zündkerze
  26. Stromverteiler
  27. Kühlwasserkanäle im Zylindermantel
  28. Einlaßventilvorraum
  29. Auslaßventilvorraum
  30. Abgasaustrittsöffnung aus dem Rotor
  31. Frischladungeintrittsöffnung im Rotor
  32. Abgasaustrittsöffnung am Rotorschaft
  33. Frischladungaustrittsöffnung aus dem Rotorschaft
  34. Kolbensperrbolzen
  35. Kolbenführungsbolzen
  36. Zylinderabschaltmechanism
  37. Druckölleitung in der Kolbenführung
  38. Druckölleitung im Kolben
  39. Zylinderleinenbefestigung
  40. Ausdehnungsaufnehmer der Zylinderleinen
  41. Pleuelstange
  42. Dichtungsringe am Rotorschaft
  43. Abdichtung gegen Ölleckage
  44. Seitenstützung
  45. Rotorantrieb

Bilderverzeichnis

Bild NrBeschreibung  1Vorderschnitt AA im Motor. Die senkrecht und waagerecht liegenden Zylinder befinden sich am Ende des Ausschiebe- bzw. Verdichtungshubes. Die anderen zwei Zylinderpaare befinden sich am Ende des Saug- bzw. Arbeitshubes.  2Seitenschnitt BB des Motors in Bild 1 außerhalb den Zylindern zur Darstellung des gesamten Aufbaus des Motors und einiger Peripherie.  3, 3_aSeitenschnitt im Motor durch einen Zylinderpaar gegen Ende des Verdichtungshubes. Bild 3 u 3_a unterscheiden sich in der Verbrennungsraumgestaltung und dem zufolge veränderten Ventil- und Nockenaufbau.  4aufgerollter Ansicht in der Rotorbohrung zur Darstellung der Ventilsteuerung, die Strömungskanäle und das Zündungsmechanismus, (Kanäle  im Rotor, - - - - im Rotorschaft).  5Gestalltung der Nocken für schräggestellten Ventile; Vergl. Bild 3.  6Gestalltung der Nocken für die radialgestellten Ventile in Bild 3_a.  7Schnitt am Zylinderbefestigung samt Pleuel zur Darstellung der Pleuelführung, der Druckschmierung des Kolbens und des Zylinderabschaltmechanismus.  8_aKühlwasserzuführung im Rotor.  8_bKühlwasserabführung aus dem Rotor.  9Darstellung der Strömungskanäle und Öffnungen an Hand von Schnitten an verschiedenen Stellen längs des Rotorschafts. 10Trochoid für verschiedengroße Hübe
OA-OÂ, EF-E Saughübe
AB-Â, FG- Verdichtungshübe
BD-D, GH-H Arbeitshübe
DE-DE, HO-HO Ausschiebehübe 11Kraft und Drehmoment verschiedener Betriebsversionen des Rotors in Abhängigkeit von dem Drehwinkel:  aFliehkraft des Kolbens
    bei konstantem Radius! des Drehkreises
    bei abnehmendem Radius des Drehkreises des Kolbens.  bDrehmoment der Fliehkraft
    Tatsächlich    bei konstantem Radius  cSumme der Drehmomente der Fliehkraft aller Zylinder  dDrehmoment des Fliehkrafts eines Kolbens bei verschiedenen Hüben.  eGasdrehmoment bei den verschiedenen Hüben.  fDrehmoment des oszillierenden Kolbens samt des Pleuels in zwei Hüben.  gSumme der Drehmomente aller oszillierenden Massen in vier Zylindern.  hResultierende Drehmoment eines 8-Zylinderrotors  iResultierende Drehmoment eines 4-Zylinderrotors (mit oder ohne Zylinderabschaltung)  jResultierende Drehmoment eines 8-Zylinderrotors nach der Abschaltung von 2-Zylindern.  kLeerlauf eines 6-Zylinderrotors der Y-Form.
    } Drehmoment der oszillierenden Masse jedes Zylinderpaares.
    } Drehmoment des Gaskraftes.  lResultierende Drehmoment des Betriebsfalls in k.

Claims (1)

1. Ein Vier-Takt-Rotationszylindermotor der Otto-Brennkraftmaschine, der folgende Merkmale umfaßt:
   1   er besteht aus einem Rotor, der
   1.1 scheibenförmig und
   1.2 zylindrisch ist,
   1.3 den Verbrennungszylindern, die
   1.4 in dem Rotor radial eingebaut sind und
   1.5 freie Kolben enthalten,
   1.6 einem Trochoid,
   1.7 einem Rotorschaft und
   1.8 einer Kupplung;
   dadurch gekennzeichnet, daß
   2  der Rotor von dem Rotorschaft getragen wird, welche die Achse des Rotors bildet,
   3  im Rotor 1, 2, 3, 4 oder 5 Zylinderpaare eingebaut sind, wobei die Zylinder jedes Zylinderpaares radial gegenseitig um den Rotorschaft gerichtet sind, so daß die Verbrennungsräume im Rotor nach innen und die Kolben samt Pleuel nach außen liegen,
   4  der Kolben mit dem Pleuel starr verbunden und sich durch eine Führung nur axial im Zylinder und somit radial im Rotor bewegt,
   5  das äußere Ende des Pleuels an dem Trochoid gleitet und dadurch den Rotor in Rotation versetzt,
   6  die Nocken zwei Erhöhungen aufweisen und an dem Rotorschaft befestigt sind,
   7  die Ventile radial am Rotor montiert und zwangsläufig von den feststehenden Nocken betätigt, wodurch sich die Einlaß- oder Auslaßventile öffnen oder schließen,
   8  das Kraftstoff-Luftgemisch, Abgase, Kühlwasser und Druck- Öl über entsprechende Kanäle im Rotorschaft und durch Öffnungen am Rotorschaft zum Rotor hineinströmen oder aus dem Rotor nach Außen strömen,
   9  der Rotorschaft am Gehäuse festverankert ist,
   10 der Trochoid ein Teil des Motorgehäuses bildet,
   11 seine innere Oberfläche den Kontur eines Epitrochoides bildet,
   12 welche gegen den Drehwinkel des Rotors aufgetragen einen harmonischen Verlauf darstellt und bei einer Umdrehung vier Perioden vorweist,
   13 der Trochoid vier Erhöhungen vorweist,
   14 wodurch der Kolben beim Gleiten des Pleuels am Trochoid acht Takte in einer Umdrehung leistet,
   15 sich alle im Rotor eingebauten Teile, das sind die Zylinder, Ventile, Zündkerzen, Kolben, Kolbenführungen und die Zylinderabschaltmechanismen, mit dem Rotor drehen,
   16 die Kupplung aus einer Reibscheibe, Druckplatte, Druckfedern und Kupplungsgehäuse besteht,
   17 die Reibscheibe der Kupplung von der Druckplatte gegen die Seitenwand des Rotors festgeklemmt und dadurch die Drehbewegung des Rotors auf die Antriebswelle des Motors überträgt,
   18 der Kolben durch Druckschmierung mit Schmieröl beliefert,
   19 das Schmieröl aus dem Rotorschaft durch die Zentrifugalwirkung der Öleintrittsöffnungen im Rotor in die Druckölleitungen des Rotors sowie in die Kolbenführung und in den Pleuel zum Kolben durchgepumpt wird,
   20 die Ventile und die äußeren Partien der Zylinder mit streuöl aus der Gehäuse benetzt,
   21 das Kühlwasser vom Rotorschaft durch die Zentrifugalwirkung der Kühlwassereintrittsöffnungen des Rotors in den Kühlwassermantel um den Zylindern gepumpt,
   22 der elektrische Strom von außerhalb des Motors über eine elektrische Leitung im Rotorschaft und einen Verteiler am Rotorschaft zu jeweils zwei Zündkerzen im Rotor geleitet wird,
   23 der Verteiler aus einem Ring um den Rotorschaft besteht und über zwei Kontaktstellen zur Leitung des elektrischen Stroms zu den zwei entsprechenden Zündkerzen verfügt,
   24 der Zylinderabschaltmechanismus an jeder Kolbenführung gebaut ist,
   25 durch Einschaltung der Zylinderabschaltmechanismus eines Zylinders ein Sperrbolzen in einer Bohrung im Pleuel hineingeführt, wodurch der Kolben samt Pleuel gesperrt wird,
   26 durch den Zylinderabschaltmechanismus nur der Pleuel samt Kolben gesperrt wird, wobei die Ventile in Betrieb bleiben,
   27 die Zylinderabschaltung oder -einschaltung durch den Zylinderabschaltmechanismus nur am Ende des Ausschubhubs stattfindet,
   28 die Zylinder jeweils nur Paarweise vom Zylinderabschaltmechanismus ein- oder ausgeschaltet werden,
   29 beim Anfahren des Motors alle Zylindern im Rotor abgeschaltet sind und nur der Rotor in Drehbewegung versetzt wird,
   30 beim Anfahren durch Betätigung der Zylinderabschaltmechanismus jeweils zwei gegenüberstehende Zylinder in Betrieb genommen werden,
   31 bei Teillast, bei welcher nur vier Zylinder in Betrieb genommen werden, die vier senkrechtzueinander stehenden Zylinder ausgeschaltet werden,
   32 der Anfahrmotor direkt den Rotor über eine Verzahnung am Umfang des Rotors betreibt,
   33 durch Änderung des Epitrochoids am Trochoid einen Verbrennungskreislauf von verschiedengroßen Hüben erreicht,
   wobei
   1  die Verbrennungsordnung der Zylinder gegen den Drehsinn des Rotors erfolgt,
   2  jeder Zylinder während einer Umdrehung zwei Verbrennungskreisläufe, bestehend aus dem Saug-, Verdichtungs-, Arbeits- und Ausschiebehub, leistet.