DE4343165A1 - Rotationskolben-Motor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolben-Motor, der sich sowohl mit einem unter Druck zugeführten Fluid als auch mit einem im Motor zündbaren Fluid betreiben läßt.

Es sind in der Vergangenheit unzählige Versuche unter­ nommen worden, Hubkolben-Motore gegen Dreh- oder Rota­ tionskolben-Motore zu ersetzen. Ein Problem dieser Motore ist die Abdichtung des Rotationskolbens gegen­ über dem Motorgehäuse. Hier besteht ferner die zusätz­ liche Schwierigkeit, die Rerührungsflächen von Gehäuse und Kolben stetig zu schmieren. Schließlich weisen die bekannten als Verbrennungskraftmaschinen ausgebildeten Rotationskolben-Motore eine intermittierende Zündung des Brennstoff/Luftgemisches auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen war­ tungsfreien Rotationskolben-Motor zu schaffen, der ohne Schmierung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse auskommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Rotationskolben-Motor vorgeschlagen, der erfindungsge­ mäß versehen ist mit:

• - einem Gehäuse, das einen Einlaß und einen Auslaß für ein Antriebsmedium (LH₂, O₂) aufweist und
• - zwei drehbar im Gehäuse gelagerten Rotationskol­ ben, deren Drehachsen parallel sind und die derart ausgestaltet sind, daß die jeweils gegenüber­ liegenden Linienbereiche ihrer Umfangsflächen über eine Umdrehung der beiden Rotationskolben betrach­ tet in sämtlichen Drehstellungen einen gleichblei­ benden Abstand voneinander aufweisen,
• - wobei sich die beiden Rotationskolben zwischen dem Einlaß und dem Auslaß des Gehäuses befinden.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor befinden sich in dessen Gehäuse zwei sich gegensinnig drehende vorzugsweise gleichgestaltete Rotationskolben. Die beiden Drehachsen der Rotationskolben sind parallel zueinander. Die Form­ gestaltung der beiden Rotationskolben ist dergestalt, daß sich die beiden jeweils einander gegenüberliegenden Umfangsbereiche bzw. axial verlaufenden Umfangslinien der Rotationskolben stets in im wesentlichen ein und demselben Abstand voneinander aufweisen. Selbiges gilt auch für die der Gehäusewandung jeweils gegenüber­ liegenden Umfangsbereiche bzw. -linien der beiden Kol­ ben. Auch hier weist dieser Bereich der Umfangsflächen der Rotationskolben im wesentlichen ein und denselben Abstand zum Gehäuse auf.

Im Rahmen dieser Erfindung ist mit dem Wort "Abstand" sowohl ein lichter Abstand als auch ein verschwindender Abstand (Abstand gleich Null) gemeint.

Die beiden Rotationskolben sind innerhalb des Gehäuses des Motors zwischen dem Einlaß und dem Auslaß angeord­ net. Sie unterteilen also das Gehäuse in zwei Teile, wobei sie den Einlaß und den Auslaß gegeneinander ab­ schirmen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rotations­ kolben-Motors besteht darin, daß bei Verwendung von Brennstoff die Zündung desselben kontinuierlich unmit­ telbar im Anschluß an den Einlaß erfolgen kann. Vor­ zugsweise werden als Brennstoff leichter Wasserstoff und Sauerstoff verwendet, die über den Einlaß dem Ge­ häuseinnern getrennt zugeführt werden und unmittelbar hinter dem Einlaß zusammengebracht werden, wo sie ver­ brennen (Knallgaserzeugung). Der weitere Vorteil der Verwendung selbstzündender Antriebsmedien besteht darin, daß auf eine Fremdzündung verzichtet werden kann.

Überschlägige Berechnungen ergeben, daß bei einer Ver­ brennungstemperatur von Wasserstoff von ca. 2000°C der Druck in der Verbrennungskammer (d. h. in dem durch die Rotationskolben begrenzten Gehäuse-Teilvolumen, das über den Einlaß zugänglich ist) um einen Faktor von ca. 25 allein aufgrund der Gesetzmäßigkeit

p v = konstant und
V₁/T₁ = V₂/T₂

ansteigt. Das Dichteverhältnis von flüssigem Wasser­ stoff zu gasförmigem Wasserstoff von ca. 600 läßt sich allerdings nicht vollständig zur Druckanstiegserhöhung umsetzen.

Wie bereits oben dargelegt, weisen die sich gegenüber­ liegenden Flächenbereiche bzw. Linienbereiche der Rota­ tionskolben sowie die gegenüberliegenden Flächen- bzw. Linienbereiche zwischen den Rotationskolben und der Ge­ häuseinnenwand jeweils einen gleichbleibenden Abstand auf. Zweckmäßigerweise ist dieser Abstand als extrem schmaler Spalt ausgelegt; dieser an sich ungewollte und konstruktiv bestehende Durchlaß wirkt sich für den Be­ trieb des Rotationskolbens in keiner Weise nachteilig aus, da ein Durchströmen des unter Druck stehenden An­ triebsfluids aufgrund des Leitwertes des extrem hohen Spaltwiderstandes nicht möglich bzw. in gänzlich unter­ geordnetem Maße möglich ist. Für den Betrieb des erfin­ dungsgemäßen Motors ist es also nicht von Nachteil, wenn sich die Rotationskolben berührungsfrei im Gehäuse drehen. Damit aber ergibt sich der ganz entscheidende praktische Vorteil, daß auf eine Schmierung verzichtet werden kann.

Die Rotationskolben können beispielsweise aus Aluminium hergestellt werden. Um die Wärmeaufnahme der Rotations­ kolben gering zu halten, sollten diese mit einer ver­ spiegelten harten Umfangsschicht versehen sein, die den Reflexionsgrad von Wärmestrahlung erhöht. Es ist aus­ reichend, die Erwärmung der Rotationskolben über deren Achsen nach außen abzuführen. Wünschenswert ist es, daß das Gehäuse so viel Wärme wie möglich aufnehmen kann. Dies wird zweckmäßigerweise dadurch erreicht, daß die Innenwände des Motorgehäuses aus Strahlungsgründen schwarz beschichtet sind. Das Motorgehäuse selbst kann dann über einen Kühlmedium-Kreislauf (insbesondere Kühlwasser) gekühlt werden. Es ist technisch möglich, die Rotationskolben mit einer Wärmeleitschicht zu ver­ sehen, die selbst bei hohen Wärmeeinstrahlungen einen derart guten Reflexionsgrad aufweist, daß sie selbst sich nicht auf mehr als 200°C erwärmt.

Die Merkmale weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Hintereinanderschaltung mehrerer Rota­ tionskolben-Motore, wobei der in Strömungsrichtung des Antriebsfluids stromab angeordnete Rotationskolben-Motor über seinen Einlaß mit dem Auslaß des stromauf­ wärts benachbarten Rotationskolben-Motors verbunden ist. Ein derartiger mehrstufiger Rotationskolben-Motor nutzt das Druckgefälle zwischen dem Druck des Antriebs­ mediums innerhalb des Gehäuses im Bereich des Einlasses und außerhalb des Gehäuses im Bereich des Auslasses besser aus, als ein lediglich einstufiger Rotationskol­ ben-Motor, mit dem Ergebnis, daß sich der Gesamtwir­ kungsgrad erhöht.

Nachfolgend werden anhand der Figuren Ausführungsbei­ spiele der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1(A) bis (F) jeweils Querschnitte durch einen Rotationskol­ ben-Motor mit zwei Rotationskolben bei konti­ nuierlicher Zündung eines selbstzündenden Ge­ misches aus leichtem Wasserstoff und Sauerstoff in verschiedenen Rotationsphasen der Rotations­ kolben,

Fig. 2 einen Horizontalschnitt durch den Rotationskol­ ben-Motor gemäß Fig. 1 zur Verdeutlichung des Wärmeabflusses von den Rotationskolben zum Ge­ häuse und zur Verdeutlichung der Gehäuseküh­ lung, wobei ein dem Motor nachgeschaltetes Ge­ triebe angedeutet ist,

Fig. 3(A) bis (F) im Querschnitt einen Rotationskolben-Motor in den unterschiedlichen Rotationsphasen der Rotationskolben, wobei die Form der Rotations­ kolben unterschiedlich zu derjenigen der Rota­ tionskolben von Fig. 1 ist, und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen doppelstufigen Rotationskolben-Motor, der aus zwei Stufen mit jeweils einem Rotationskolbenpaar besteht.

In den Fig. 1(A) bis (F) ist jeweils im Querschnitt ein Rotationskolben-Motor 10 dargestellt, dessen zwei in einem Gehäuse 12 drehbare angeordnete Rotations­ kolben 14, 16 in unterschiedlichen Drehstellungen darge­ stellt sind. Das Gehäuse 12 ist mit einem Einlaß 18 und mit einem diesem gegenüberliegenden Auslaß 20 versehen. Über den Einlaß 18 führen zwei koaxiale Leitungen 22, 24 für leichten Wasserstoff (LH₂) und Sauerstoff (O₂) ins Innere des Gehäuses 12 hinein. Diese "Brennstoffe" wer­ den mit dem nötigen Druck (Verdichtung) in das Gehäuse eingespritzt; die Verdichtungsenergie (Einspritzpumpen) wird vom Motor selbst geliefert, wie dies auch bei üb­ lichen Verbrennungsmotoren mit Brennstoff-Einspritzung der Fall ist.

Die beiden Rotationskolben 14, 16 sind identisch ausge­ bildet und weisen jeder für sich eine symmetrische Ge­ stalt auf. Die Außenkontur der beiden Rotationskolben 14, 16 kann als Cassinische Kurvenform bezeichnet wer­ den. In den Zeichnungen nicht korrekt wiedergegeben ist die Tatsache, daß sich die beiden Rotationskolben 14, 16 nicht berühren, sondern daß vielmehr ein schmaler Spalt zwischen ihnen besteht. Selbiges gilt auch für die "Schnittstelle" zwischen den Kolben und dem Gehäuse. Auch hier berühren die Rotationskolben 14, 16 die Innen­ fläche des Gehäuses 12 nicht sondern bewegen sich mit extrem geringem Abstand an dieser vorbei.

Aus dem Horizontalschnitt von Fig. 2 wird erkennbar, daß die beiden Rotationskolben an dem einen ihrer aus dem Gehäuse 12 herausgeführten axialen Ende ihrer Dreh­ achsen 26 jeweils ein Zahnrad 28 tragen, die miteinan­ der kämmen. Diese Kupplung der beiden Rotationskolben 14, 16 über die beiden gleich großen und mit gleicher Zahnung versehenen Zahnräder 28 bedingt, daß sich die beiden Rotationskolben 14, 16 in entgegengesetztem Dreh­ sinn mit gleicher Geschwindigkeit drehen. Zusätzlich gilt, daß die beiden Rotationskolben 14, 16 um 90° phasenverschoben sind.

Wie in den Fig. 1(A) bis (F) dargestellt, unterteilen die beiden Rotationskolben 14, 16 das Gehäuse 12 in mehrere Teilräume auf, deren Gestalt sich in Abhängig­ keit von der Drehstellung der beiden Rotationskolben 14, 16 ändert. Es ist aber immer so, daß ein Teilraum mit dem Einlaß 18 und ein anderer Teilraum mit dem Aus­ laß 20 verbunden ist.

In dem mit dem Einlaß verbundenen Teilraum (nachfolgend auch als "Verbrennungskammer" bezeichnet) zünden die beiden über die Leitungen 22, 24 zugeführten Fluide, nämlich leichter Wasserstoff und Sauerstoff. Damit steigt der Druck in diesem Verbrennungsraum an. Aus­ gehend von der Rotationskolbenstellung gemäß Fig. 1(A) bedeutet dies, daß der Rotationskolben 14 in Rotation in Richtung des dargestellten Pfeils versetzt wird; über die Kopplung beider Kolben wird auch der Rota­ tionskolben 16 in Drehbewegung versetzt. Der Rotations­ kolben 16 würde in der Stellung gemäß Fig. 1(A) von sich allein keine Drehbewegung erfahren, da die Summe aller auf den Rotationskolben 16 infolge des Druck­ anstiegs in der Verbrennungskammer wirkenden Dreh­ momente gleich Null ist. Dies gilt aber nicht für den Rotationskolben 14, weshalb dieser drehend angetrieben wird.

Diese oder eine ähnliche Situation gilt in sämtlichen Drehstellungen der beiden Rotationskolben 14, 16, so daß eine kontinuierliche Zündung von Wasserstoff und Sauer­ stoff (aber auch von jeden anderen brennbaren Materia­ lien) zu einer stetigen Rotation der beiden Kolben 14, 16 führt.

Fig. 2 zeigt schematisiert den Wärmetransport ausgehend von den Rotationskolben 14, 16 über die Drehachsen 26 zu den Drehlagern 30, 32 des Gehäuses 12 hin. Das Gehäuse 12 selbst ist mit einer Vielzahl von Kühlkanälen 34 zur Kühlung mit einem Kühlmedium, insbesondere Wasser ver­ sehen. Auch die Lager 32 sind mit Kühlkanälen 34 ver­ sehen, so daß die Wärmeübertragung über die Drehachsen 26 vom Gehäuse 12 über die Kühlung rasch abgeführt wer­ den kann. Eine der Drehachsen 26 beider Rotationskolben 14, 16 bildet die Antriebsachse des Motors 10, deren Rotation in einem Getriebe 36 umgesetzt wird.

In Fig. 3 sind die verschiedenen Rotationsphasen eines alternativen Rotationskolben-Motors 10 dargestellt. Soweit die Teile und Elemente dieses Motors 10 den­ jenigen des in Fig. 1 dargestellten Motors entsprechen, sind sie mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Der Unterschied zum Rotationskolben-Motor 10 gemäß Fig. 1 besteht in der Form der Rotationskolben 14, 16, die beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 im Querschnitt be­ trachtet eine lemniskantenförmige bzw. -ähnliche Begren­ zung aufweisen. Ansonsten ist der Aufbau des Motors identisch mit dem von Fig. 1.

In Fig. 4 ist ein zweistufiger Rotationskolben-Motor 40 dargestellt, der sozusagen aus zwei hintereinanderge­ schalteten Rotationskolben-Motoren 10 gemäß den Fig. 1 oder 3 besteht. Der Rotationskolben-Motor 40 besteht aus zwei Teilgehäusen 42, die über einen Durchlaß 44 miteinander verbunden sind. In beiden Teilgehäusen sind jeweils zwei drehbar gelagerte Rotationskolben 46, 48 angeordnet. Das eine Teilgehäuse 42 ist mit einem Ein­ laß 50 für die Zufuhr von zündbaren Medien (beispiels­ weise leichter Wasserstoff und Sauerstoff) versehen, während der andere Gehäuseteil 42 einen Auslaß 52 auf­ weist. Der Durchlaß 44 ist zugleich Auslaß des einen Gehäuseteils 42 und Einlaß des anderen Gehäuseteils 42. Die über getrennte Leitungen 54, 56 zugeführten und von den Einspritzpumpen 58, 60 geförderten Fluide, die sich in dem mit dem Einlaß 50 in Verbindung stehenden Teil­ raum (Verbrennungskammer) des einen Gehäuseteils 42 entzünden, bewirken eine Rotation der beiden Rotations­ kolben 46, 48 dieses Gehäuseteils 42. Die Verbrennungs­ gase werden über den Durchlaß 44 dem jeweiligen mit diesem Durchlaß 44 verbundenen Teilraum des anderen Gehäuseteils 42 zugeführt und versetzen dort dessen Rotationskolben 46, 48 in Drehbewegung. Von diesen Rota­ tionskolben 46, 48 wird das unter Druck stehende Ver­ brennungsgas dann weiter über den Auslaß 52 nach außen geführt. Diese mehrstufige Anordnung erlaubt es, daß bei einem einstufigen Rotationskolben-Motor gemäß den Fig. 1 und 3 noch unter einem recht hohen Druck stehende ausströmende Gas in einer nachgeschalteten Stufe nochmals zur Erzeugung von Rotationsbewegungen auszunutzen. Es ist ferner denkbar, mehr als zwei Stu­ fen vorzusehen, um den Wirkungsgrad des Motors noch weiter zu verbessern.

Claims (9)

1. Rotationskolben-Motor mit

• - einem Gehäuse (12), das einen Einlaß (18) und einen Auslaß (20) für ein Antriebsmedium (LH₂, O₂) aufweist und
• - zwei drehbar im Gehäuse (12) gelagerten Rota­ tionskolben (14, 16), deren Drehachsen (26) parallel sind und die derart ausgestaltet sind, daß die jeweils gegenüberliegenden Linienbe­ reiche ihrer Umfangsflächen über eine Umdrehung der beiden Rotationskolben (14, 16) betrachtet in sämtlichen Drehstellungen einen gleichblei­ benden Abstand voneinander aufweisen,
• - wobei sich die beiden Rotationskolben (14, 16) zwischen dem Einlaß (18) und dem Auslaß (20) des Gehäuses (12) befinden.

2. Rotationskolben-Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskolben (14, 16) zum gegensinnigen Drehen mit gleicher Rotationsgeschwindigkeit gekoppelt sind.

3. Rotationskolben-Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskolben (14, 16) über Zahnräder (28) oder über einen Riemen miteinander gekoppelt sind.

4. Rotationskolben-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgestal­ tung des die Rotationskolben (14, 16) aufnehmenden Innenraums des Gehäuses (12) derart ist, daß sich die am weitesten von den Drehachsen (26) entfernt liegenden Linienbereiche der Umfangsflächen der Rotationskolben (14, 16) einen im wesentlichen gleichbleibenden Abstand von der Gehäuseinnenwand aufweisen, wenn sich die Rotationskolben (14, 16) drehen.

5. Rotationskolben-Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskolben (14, 16) jeweils eine symmetrische Gestalt aufweisen, wobei jeder Rotationskolben (14, 16) symmetrisch zu zwei gegenüberliegenden Seiten seiner Drehachse (26) ausgebildet ist und sich im wesentlichen lediglich in diesen beiden entgegengesetzten Richtungen er­ streckt.

6. Rotationskolben-Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskolben (14, 16) um 90° phasenverschoben angeordnet sind.

7. Rotationskolben-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß (18) und der Auslaß (20) mit einer gemeinsamen ge­ dachten Achse fluchten, die in einer zwischen den beiden Rotationskolben (14, 16) angeordneten Symmetrieebene liegt, bezüglich derer die beiden Rotationskolben (14, 16) symmetrisch angeordnet sind.

8. Rotationskolben-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskolben (14, 16) im Querschnitt betrachtet eine Cassinische Kurvenform aufweisen.

9. Rotationskolben-Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Rotationskolben (14, 16) im Querschnitt betrachtet eine lemniskantenförmige Umfangsbegrenzung auf­ weisen.