DE4003454A1

DE4003454A1 - Rotationsmotor mit ringfoermigem verbrennungsraum

Info

Publication number: DE4003454A1
Application number: DE19904003454
Authority: DE
Inventors: Joachim Rathmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-02-06
Filing date: 1990-02-06
Publication date: 1991-08-08

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Rotationsmotor dieser Art ist der DE-OS 33 21 461 und auch der DE-OS 34 23 445 zu entnehmen. Dabei rotieren Kolben auf einer Kreisbahn in einem ringförmigen Verbrennungsraum. Im Gegensatz zu den bekannten Hubkolben motoren wird nicht eine Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgesetzt, wobei die in den beiden Offenlegungsschriften genannten, unter Fachleuten all gemein bekannten, Mängel auftreten. Es erfolgt vielmehr ein Rotieren der Kolben um die Welle, bei der die Kraft ohne Änderung der Bewegungsrichtung übertragen wird.

Die gleichsinnige Bewegung des Kolbens und der Welle ist dem Grundsatz nach als Prinzip des Wankelmotores bekannt. Dieser Rotationskolbenmotor mit einer rotierenden Kolbenscheibe in einem speziell gestalteten Ver brennungsraum besitzt keinen optimalen Aufbau.

Die Kolbenscheibe dreht sich nämlich nicht nur um ihre Achse. Sie beschreibt vielmehr neben der Drehbewegung noch eine schwingende Bewegung innerhalb des Ver brennungsraumes. Die dadurch bedingten Abdichtprobleme sind allgemein bekannt.

Den Rotationsmotoren nach den beiden genannten Offen legungsschriften lag hingegen der Gedanke zugrunde, die Kolben auf einer exakten Kreisbahn zu führen, um eine optimale Abstimmung der Bewegungsabläufe zu erzielen. Aber auch bei diesen Motoren treten Dichtungsprobleme auf, da eine Übertragung von den Kolben zur zentralen Welle erforderlich ist.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, einen Rotations motor mit einwandfrei kreisförmigen Bewegungsab läufen ohne Dichtprobleme zu schaffen. Dabei soll eine optimale Ausnutzung des Energiepotentiales des Kraft stoffes erreicht werden.

Der erfindungsgemäße Rotationsmotor besitzt die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 genannten Merkmale.

Im Gegensatz zu den bekannten Motoren rotieren nicht ein oder mehrere Kolben in einem Verbrennungsraum. Vielmehr rotieren die den ringförmigen Verbrennungsraum bildenden Kolbenscheiben. Mit diesen sind die bis zum Grund der Aussparung in der gegenüberliegenden Kolben scheibe vorspringenden Kolben verbunden. Die Kolben scheiben sind stirnseitig zusammengefügt und rotieren frei gegeneinander. Der Rotationsantrieb erfolgt durch das auf die Kolben bei der Zündung des Kraftstoffge misches einwirkende Drehmoment. Das Besondere gegenüber allen bekannten Motorarten besteht somit darin, daß keine Kolben in einem ruhenden Verbrennungsraum bewegt werden, sondern daß sich die den Verbrennungsraum bildenden Kolbenscheiben drehen.

Eine stirnseitige Abdichtung der Kolbenscheibe durch eine Ringdichtung ist sehr einfach. Die Kraftstoffzu fuhr und die Abgasabfuhr können durch die Hohlachse erfolgen, um die die beiden Kolbenscheiben rotieren. Eine zum Einlaßkanal gerichtete Kraftstoffdüse kann dabei so eingestellt werden, daß sich ein variabler, ringförmiger Luftspalt zur Erzeugung des geeigneten Gemisches ergibt.

Trägerscheiben mit Steuernocken auf den beiden Hohlachsen dienen der Steuerung der Ventile über entsprechende Ventilschäfte. Dabei sind zwischen den Achsen und den Trägerscheiben Freiläufe anzuordnen.

Die Kraftübertragung selbst erfolgt nicht durch die Kolben auf die Antriebswelle, sondern durch die den ringförmigen Verbrennungsraum bildenden Kolbenscheiben auf den Antrieb. Sehr einfach ist das durch einen äußeren Zahnkranz auf den Kolbenscheiben möglich, mit dem ein Zahnkranz auf dem Antrieb im Eingriff steht.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Rotationsmotores sind:

- fast konstantes Drehmoment während jedes Hubes
- große Laufruhe, weil der Hub nicht erst in eine Dreh bewegung umgewandelt werden muß
- die Drehbewegung ist linear
- jeder Arbeitstakt ist stoßfreier als beim herkömm lichen Hubkolbenmotor
- keine Dichtprobleme wie beim Wankelmotor
- für die wichtigsten Bewegungselemente (Kolbenscheibe) sind Keramikwerkstoffe gut geeignet
- sehr hohe Drehzahlen möglich
- Verdoppelung der Kolben (von 2 auf 4) in einem Scheibenpaar möglich, dadurch noch größere Lauf ruhe
- Elektromagnetische Steuerung der Ventile möglich, dadurch fallen die Massen der Nockenscheiben weg
- unkomplizierte Motorteile - nur wenige Sonder maschinen erforderlich
- Motor kann auch als Einspritzer gebaut werden
- höherer Wirkungsgrad als bei allen anderen bisher bekannten Konstruktionen

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zeigt

Fig. 1 die Ansicht eines Motores mit zwei Kolbenscheiben-Paaren,

Fig. 2 den Schnitt A-A aus Fig. 1,

Fig. 3 den Schnitt B-B aus Fig. 1,

Fig. 4 die halbe Stirnansicht einer Kolbenscheibe,

Fig. 5 den Schnitt C-C aus Fig. 4,

Fig. 6 die perspektivische Ansicht einer Kolben scheibe im prinzipiellen Aufbau und

Fig. 7-10 Darstellung im 4-Taktbetrieb.

Der Motor besitzt paarweise zusammengefügte Kolben scheiben 1, 2 und 3, 4. Dabei weist jede der Kolben scheiben 1 bis 4 eine ringförmige Aussparung 5 auf. Durch stirnseitiges Zusammenfügen der Kolbenscheiben 1, 2 und 3, 4 ergibt sich ein ringförmiger Verbrennungs raum 6. Vom Grund einer jeden Aussparung springt ein Kolben 7, 8 bis zum Grund der gegenüberliegenden Aussparung vor. Somit sitzen im Verbrennungsraum 6 jeweils zwei Kolben 7, 8. Ohne weiteres ist aber auch eine Verdoppelung der Kolben möglich, wodurch eine noch größere Laufruhe erzielt wird. Ventilteller 9, welche durch Ventilschäfte 10 auf der Einlaßseite und weitere Ventilschäfte 11, die in Ventilschaft-Führungen 11a laufen, verstellt werden, regeln den Ein- und Auslaß des Verbrennungsraumes 6. Die Betätigung der Ventil schäfte 10 erfolgt durch eine Trägerscheibe 12 mit Steuernocken 14 auf der Einlaßseite und durch eine Trägerscheibe 13 mit Steuernocken 15 auf der Auslaß seite. Die Zufuhr des Kraftstoffgemisches erfolgt durch einen Einlaßkanal 16 und die Abfuhr der Abgase durch einen Auslaßkanal 17. Zur Zündung des Gemisches dienen Zündkerzen 18. Jedes Kolbenscheibenpaar besitzt eine Hohlachse 19, um die die Kolbenscheibe 1, 2 und 3, 4 rotieren. Die Hohlachsen 19 sind mit Freiläufen im Motorgehäuse gelagert (der Einfachheit halber hier nicht dargestellt). Um eine weitere Mittelachse 20 rotiert, einseitig unter Zwischenfügung eines Freilaufs 28 ein Zahnrad für die Übertragung der Ventilsteuerung gemeinsam mit einem auf der Achse 19 angebrachten Zahn rad 21. Die Zufuhr des Kraftstoffes erfolgt durch eine Düse 22, wobei die benötigte Luft durch einen Luftspalt 23 angesaugt wird. Die Kolben 7, 8, 7a, 8a besitzen eine Nut 24 zur Einfügung eines Dichtringes. Die Kolben scheiben 1-4 besitzen ebenfalls eine umlaufende Nut 25 zur Einfügung eines Dichtringes. Somit ist eine einfache Abdichtung vorhanden, die keinerlei Probleme besitzt. Wie beschrieben, erfolgt keine Kraftüber tragung durch die Kolben direkt. Die Kraftübertragung erfolgt vielmehr durch die Kolbenscheiben 1-4. Diese stehen über einen Zahnkranz einerseits mit dem Zahn kranz eines Anlassers 26 und andererseits mit dem Zahn kranz eines Antriebs 27 in Verbindung.

Nach dieser Erläuterung des Aufbaus des Motores wird im Folgenden die Funktion beschrieben:

Beschreibung im 4-Taktbetrieb

Die Fig. 7-10 ist die Schnittdarstellung B-B aus Fig. 1.

Fig. 7 Ausgangsstellung

Im Arbeitsraum A ist das Luft-Gasgemisch komprimiert.

Im Arbeitsraum B ist das Luft-Gasgemisch angesaugt.

Im Arbeitsraum C sind die verbrannten Gase ausgestoßen.

Im Arbeitsraum D befinden sich verbrannte Gase.

Ventilstellung im Arbeitsraum A:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum B:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum C:
Einlaß - geöffnet
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum D:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geöffnet

Jetzt erfolgt die Zündung im Arbeitsraum A. Die Kolben 8 und 8a in Pfeilrichtung bewegt. Die Kolben 7 und 7a bleiben, gehalten durch Freiläufe, in ihrer Position stehen.

Nach einer 180°-Drehung bleiben die Kolben 8 und 8a stehen.

In Fig. 8 ist nun folgender Zustand erreicht

Der Arbeitsraum A hat sich vergrößert, in ihm befinden sich verbrannte Gase.

Der Arbeitsraum B hat sich verkleinert, hier wurde das Luft-Gasgemisch komprimiert.

Der Arbeitsraum C hat sich vergrößert, dadurch wurde das Luft-Gasgemisch angesaugt.

Der Arbeitsraum D hat sich verkleinert und dabei die verbrannten Gase ausgestoßen.

Ventilstellung im Arbeitsraum A:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geöffnet

Ventilstellung im Arbeitsraum B:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum C:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum D:
Einlaß - geöffnet
Auslaß - geschlossen

Jetzt erfolgt die Zündung im Arbeitsraum B. Die Kolben 7 und 7a werden in Pfeilrichtung (siehe Fig. 7) bewegt. Die Kolben 8 und 8a bleiben, gehalten durch Freiläufe, in ihrer Position stehen.

Nach einer 180°-Drehung bleiben die Kolben 7 und 7a stehen.

In Fig. 9 ist nun folgender Zustand erreicht

Der Arbeitsraum A hat sich verkleinert und verbrannte Gase ausgestoßen.

Der Arbeitsraum B hat sich verkleinert, in ihm befinden sich verbrannte Gase.

Der Arbeitsraum C hat sich verkleinert, dadurch wurde das Luft-Gasgemisch komprimiert.

Der Arbeitsraum D hat sich vergrößert und somit frisches Luft-Gasgemisch angesaugt.

Ventilstellung im Arbeitsraum A:
Einlaß - geöffnet
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum B:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geöffnet

Ventilstellung im Arbeitsraum C:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum D:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Jetzt erfolgt die Zündung im Arbeitsraum C. Die Kolben 8 und 8a werden in Pfeilrichtung (siehe Fig. 7) bewegt. Die Kolben 7 und 7a bleiben, gehalten durch Freiläufe, in ihrer Position stehen.

Nach einer 180°-Drehung bleiben die Kolben 8 und 8a stehen.

In Fig. 10 ist nun folgender Zustand erreicht

Der Arbeitsraum A hat sich vergrößert und Luft-Gasge misch angesaugt.

Der Arbeitsraum B hat sich verkleinert und die verbrannten Gase ausgestoßen.

Der Arbeitsraum C hat sich vergrößert, in ihm befinden sich verbrannte Gase.

Der Arbeitsraum D hat sich verkleinert und dabei das Luft-Gasgemisch komprimiert.

Ventilstellung im Arbeitsraum A:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum B:
Einlaß - geöffnet
Auslaß - geschlossen

Ventilstellung im Arbeitsraum C:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geöffnet

Ventilstellung im Arbeitsraum D:
Einlaß - geschlossen
Auslaß - geschlossen

Jetzt erfolgt die Zündung im Arbeitsraum D. Die Kolben 7 und 7a werden in Pfeilrichtung (siehe Fig. 7) bewegt. Die Kolben 8 und 8a bleiben, gehalten durch Freiläufe, in ihrer Position stehen.

Die Kolben 7 und 7a kommen nach einer 180°-Drehung zum Stehen und der gesamte Arbeitsablauf, beginnend in Fig. 7, wiederholt sich.

Allgemeine Hinweise

In der Arbeitsablaufbeschreibung wurde zur Vereinfachung immer eine 180°-Drehung beschrieben. In der Praxis sind auch andere Winkel- Drehungen möglich.

1. Bedingt durch die Kolbenlänge,
2. durch die Kolbenzahl in einem Kolbenscheibenpaar,
3. durch die Wahl anderer Parameter, um z. B. andere Verdichtungsverhältnisse zu bekommen.

Positionsliste

1 Kolbenscheibe Fig. 1; 4
2 Kolbenscheibe Fig. 1; 3
3 Kolbenscheibe Fig. 1; 2
4 Kolbenscheibe Fig. 1; 2; 3
5 Kolben Fig. 4; 5; 6
6 Kolben Fig. 3
7 Kolben Fig. 2; 3; 6
7a Kolben Fig. 7; 8; 9; 10
8 Kolben Fig. 2; 3
8a Kolben Fig. 7; 8; 9; 10
9 Ventilteller Fig. 4
10 Ventilschaft, Einlaß Fig. 1; 2
11 Ventilschaft, Auslaß Fig. 1; 2
11a Führung, Ventilschaft Fig. 4; 5
12 Trägerscheibe, Steuernocken, Einlaß Fig. 1; 2
13 Trägerscheibe, Steuernocken, Auslaß Fig. 1; 2
14 Steuernocken, Einlaß Fig. 1; 2
15 Steuernocken, Auslaß Fig. 1; 2
16 Kanal, Einlaß Fig. 2; 4; 5
17 Kanal, Auslaß Fig. 2
18 Zündkerze Fig. 1; 2
19 Mittelachse, Kolbenscheibenpaar Fig. 1; 2
20 Mittelachse, Übertragung, Ventilsteuerung Fig. 1
21 Zahnrad, Übertragung, Ventilsteuerung Fig. 1; 2
22 Düse, Kraftstoff Fig. 1; 2
23 Luftspalt Fig. 2
24 Dichtring, Kolben Fig. 4
25 Dichtring, Kolbenscheibe Fig. 4
26 Zahnrad, Anlasser Fig. 2; 3
27 Zahnrad, Abtrieb Fig. 2; 3
28 Freilauf Fig. 1; 2

nur zur besseren Erläuterung Fig. 7; 8; 9; 10
A Arbeitsraum
B Arbeitsraum
C Arbeitsraum
D Arbeitsraum

Claims

1. Rotationsmotor mit einem ringförmigen Verbrennungs raum und mit in diesem Verbrennungsraum rotierenden Kolben, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbrennungsraum (6) in zwei stirnseitig zusammengefügten, rotierenden Kolbenscheiben (1, 2 bzw. 3, 4) ausgespart ist, wobei jede der Kolbenscheiben mindestens einen vom Grund ihrer Aussparung (5) bis zum Grund der ihr zugeordneten Aussparung in der gegenüberliegenden Kolbenscheibe vor springenden Kolben (7, 8) besitzt.

2. Rotationsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (1, 2 bzw. 3, 4) stirnseitig gegeneinander abgedichtet sind und daß jedes Paar der Kolbenscheiben (1, 2 bzw. 3, 4) um eine Hohlachse (19) rotiert, die einerseits mit einem Einlaßkanal (16) für das Kraftstoffgemisch in den Verbrennungsraum (6) und andererseits mit einem Auslaßkanal (17) für die Abgase aus dem Verbrennungsraum (6) in Verbindung steht.

3. Rotationsmotor nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Einlaßkanal (16) in der Hohl achse (19) eine axial verstellbare Kraftstoffdüse (22) unter Offenhaltung eines variablen, ringförmigen Luft spaltes (23) vorgeschaltet ist.

4. Rotationsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das auf den Hohlachsen (19) beiderseits Trägerscheiben (12) mit auf Ventilschäfte (10, 11) ein wirkenden Steuernocken (14) angeordnet sind.

5. Rotationsmotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Mittelachse (20) und den Träger scheiben (13) für die Steuernocken (14) Freiläufe (28) angeordnet sind.

6. Rotationsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenscheiben (1-4) an ihrem Umfang einerseits mit einem Zahnkranz für den Anlasser und andererseits mit einem Zahnkranz für den Abtrieb (27) in Verbindung stehen.

7. Rotationsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere Paare von Kolbenscheiben (1, 2 oder 3, 4) zu einer Einheit zusammen gefaßt sind, wobei die Kolbenscheiben (1, 3 bzw. 2, 4) der einzelnen Paare an ihrem Umfang miteinander in Verbindung stehen.