DE4424626A1 - Rotationskolbenverbrennungsmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenverbrennungsmotor, bestehend aus einem Motorgehäuse mit einer zylindrischen Gehäusekammer, in der eine Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung, eine Abgas-Auslaßöffnung sowie eine Gewindebohrung für eine Zündkerze ausgestaltet sind. In der Gehäusekammer ist ein Rotationskolben exzentrisch gelagert, dem umfangsseitig mindestens zwei schwenkbare Kolbenscheiben zugeordnet sind.

Konventionelle Hubkolbenmotoren erfordern die Umwandlung der nichtkreisför­ migen Kolbenbewegung in eine Kreisbewegung. Diese Bewegungsumformung ergibt Wirkungsgradverluste. Weitere Wirkungsgradverluste entstehen aufgrund der ständigen Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens zwischen dem oberen und dem unteren Totpunkt.

Derartige Nachteile können vermieden werden, sofern der Verbrennungsmotor eine rotierende Kolbenanordnung aufweist. Allerdings ergeben Rotationskol­ benmotoren durch die aufwendige Konstruktion von Motorgehäuse und rotieren­ dem Kolben ebenfalls zahlreiche Probleme. Eine interessante Entwicklungs­ richtung bieten hierbei jedoch Motorenkonstruktionen, bei denen dem Rota­ tionskolben schwenkbare Regelelemente zugeordnet sind.

Die Flügelzellen-Strömungsmaschine gemäß DE 34 01 030 A1, die beispielsweise als Motor verwendet werden kann, umfaßt einen im Gehäuse exzentrisch ange­ ordneten Rotor, an dem unter gleicher Umfangsteilung eine Mehrzahl sog. Flügelblätter mit ihren inneren Enden schwenkbar gelagert sind. Die äußeren Enden liegen infolge Fliehkrafteinwirkung an der Gehäusewandung an, so daß sich das Volumen jeder zwischen zwei benachbarten Flügelblättern entstehen­ den Kammer in Abhängigkeit der jeweiligen Rotorstellung ändert.

Die Offenlegungsschrift DE 41 43 131 A1 beschreibt einen Rotationskolbenmo­ tor, dessen Motorgehäuse eine zylindrische Gehäusekammer mit Kraftstoff- Luftgemisch-Einlaßöffnung, Abgas-Auslaßöffnung und Zylinderkerzen-Gewinde­ bohrung aufweist. In der Gehäusekammer ist ein Rotationskolben mit zwei ausklappbaren, federbelasteten Kolbenscheiben angeordnet. Das wirksame Brennraumvolumen wird durch die jeweilige Stellung der Kolbenscheiben ver­ ändert. Im Arbeitstakt wirkt der Explosionsdruck unmittelbar auf die flü­ gelartigen Kolbenscheiben, während im Auslaßtakt die Kolbenscheiben zum Kolben eingeklappt werden.

Diese bereits bekannten Konstruktionen erfordern für einen störungsfreien Funktionsablauf eine Schwenkbewegung der flügelartigen Kolbenscheiben von fast 90° zwischen der am Rotationskolben anliegenden und der maximal ausge­ klappten Stellung. Für die Realisierung dieser großen Bewegungsänderung wird viel Bauraum benötigt. Gleichzeitig ergeben diese relativ großen Schwenkbewegungen neben Abdichtungsproblemen auch erhebliche Vibrationen und beeinträchtigen somit die Laufruhe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Rotations­ kolbenverbrennungsmotor zu schaffen, der lediglich geringen Bauraum erfor­ dert und gleichzeitig einen weitgehend vibrationsfreien Motorlauf gewähr­ leistet. Dabei soll insbesondere eine Reduzierung der notwendigen Schwenk­ bewegung der Kolbenscheiben erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der Rotationskolben als kreisförmiger Grundkörper ausgestaltet ist, der an seiner Außenkontur min­ destens zwei, in gleichem Abstand voneinander angeordnete Kolbensegmente aufweist, die von der Kreisfläche des Grundkörpers jeweils über einen Steg in einen sichelförmigen Abschnitt mit kreisförmiger Außenkontur übergehen und wobei die schwenkbaren Kolbenscheiben in dem, in Drehrichtung jeweils hinter dem Steg angeordneten Bereich zwischen dem kreisförmigen Grundkör­ per, dem Steg und dem sichelförmigen Abschnitt gelagert sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotationskolbenverbren­ nungsmotors sind in den Patentansprüchen 2. bis 10. beschrieben.

Der vorliegende Rotationskolbenverbrennungsmotor ermöglicht einen funkti­ onssicheren Motorbetrieb bei lediglich geringfügigen Schwenkbewegungen der Kolbenscheiben. Somit wird ein weitgehend vibrationsfreier Motorlauf er­ reicht. Die konstruktive Umsetzung der notwendigen Bauteile ist in einer kompakten Baugruppe möglich. Aufgrund des geringen Bauraumbedarfs ist der vorgeschlagene Rotationskolbenverbrennungsmotor insbesondere für Anwen­ dungsfälle geeignet, bei denen zwingend die Verwendung kleinbauender Moto­ ren notwendig ist. Derartige bevorzugte Einsatzgebiete sind beispielsweise Motorräder, Kettensägen oder Rasenmäher.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotationskolbenverbrennungs­ motors ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau des Motors,

Fig. 2 den Rotationskolben,

Fig. 3 eine Kolbenscheibe,

Fig. 4 den Motor bei einer Winkelstellung 0°,

Fig. 5 den Motor bei einer Winkelstellung 45°,

Fig. 6 den Motor bei einer Winkelstellung 135°,

Fig. 7 den Motor bei einer Winkelstellung 180°,

Fig. 8 den Motor bei einer Winkelstellung 225°.

Der in Fig. 1 gezeigte Rotationskolbenverbrennungsmotor besteht aus einem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Motorgehäuse, in dem eine zylin­ drische Gehäusekammer 3 ausgestaltet ist. Die Gehäusekammer 3 weist eine Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung 4, eine Überströmöffnung 5 und eine Abgas-Auslaßöffnung 6 auf. Weiterhin ist eine Gewindebohrung für eine Zünd­ kerze 7 vorgesehen. In der Gehäusekammer 3 ist ein Rotationskolben 8 exzen­ trisch gelagert. Am Rotationskolben 8 sind umfangsseitig zwei Kolbenschei­ ben 9 und 10 schwenkbar gelagert. Die Verbindung von Rotationskolben 8 und Kolbenscheiben 9; 10 erfolgt durch Bolzen, die im gezeigten Ausführungsbei­ spiel mit Bezugszeichen 1 und 2 gekennzeichnet sind.

Fig. 2 zeigt den Rotationskolben 8 als Einzelteil mit kreisförmigem Grund­ körper 11, der an seiner Außenkontur mindestens zwei, in gleichem Abstand voneinander angeordnete Kolbensegmente aufweist. Die Anzahl dieser Kolben­ segmente entspricht jeweils der Anzahl der Kolbenscheiben. Vorzugsweise werden zwei Kolbenscheiben 9; 10 verwendet, die Anordnung von mehr als zwei Kolbenscheiben ist jedoch grundsätzlich möglich. Wesentlich ist in jedem Fall, daß pro Umdrehung des Rotationskolbens 8 soviel Zündungen und somit Arbeitstakte erreicht werden, wie Kolbenscheiben vorgesehen sind.

Die Kolbensegmente gehen jeweils vom kreisförmigen Grundkörper 11 über ei­ nen Steg 12 in einen sichelförmigen Abschnitt 13 über. Der sichelförmige Abschnitt 13 hat eine kreisförmige Außenkontur und erstreckt sich von einer in Drehrichtung vorn liegenden spitzen Flanke 14 bis zu einem stumpfen End­ abschnitt 15, der eine gerade, radial verlaufende Abschlußkante aufweist. Die spitze Flanke 14 geht an ihrer Innenseite, d. h., an der dem kreisförmi­ gen Grundkörper 11 zugeordneten Seite, von einer zunächst nur geringfügig gekrümmten Kontur in eine partiell kreisförmige Kontur über. Der stumpfe Endabschnitt 15 geht von der radial verlaufenden geraden Abschlußkante an seiner Innenseite unmittelbar in eine partiell kreisförmige Kontur über.

Fig. 3 zeigt eine Kolbenscheibe 9, die kreisringförmig ausgestaltet ist. We­ sentlich ist hierbei, daß die Innenkontur dieses Kreisrings der Außenkontur des kreisförmigen Grundkörpers 11 entspricht. Gleichzeitig entspricht die Außenkontur dieses Kreisrings der Außenkontur des sichelförmigen Abschnitts 13. Eine Stirnseite der Kolbenscheibe 9 weist eine gerade, annähernd radial verlaufende Kante auf, die in eine partiell kreisförmige Kontur übergeht. Die entgegengesetzte Stirnseite der Kolbenscheibe 9 weist eine geringfügig gekrümmte Kante auf. Diese Arbeitskante 16 verläuft jedoch nicht in annä­ hernd radialer Richtung, sondern schräg von der Außenkontur des Kreisrings in Richtung der Innenkontur des Kreisrings. Der Arbeitskante 16 folgt im Konturenverlauf eine partiell kreisförmige Kontur, welche in die Innenkon­ tur des Kreisrings übergeht. Die Kontur der Arbeitskante 16 der Kolben­ scheibe 9 entspricht der Kontur an der Innenseite der spitzen Flanke 14 des Rotationskolbens 8.

Die Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung 4 und die Überströmöffnung 5 sind jeweils unmittelbar außerhalb der vom kreisförmigen Grundkörper 11 des Ro­ tationskolbens 8 überdeckten Fläche angeordnet. Somit ist die Regelung der Öffnungen 4; 5 mittels der Innenkontur der Kolbenscheiben 9; 10 möglich. Die Abgas-Auslaßöffnung 6 ist unmittelbar an der Zylinderaußenwand angeord­ net, so daß die Öffnung 6 mittels der Außenkontur der Kolbenscheiben 9; 10 geregelt werden kann.

Die prinzipielle Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Rotationskolbenverbren­ nungsmotors ist aus den Fig. 4 bis 8 ersichtlich, die einige beispielhaft ausgewählte Winkelpositionen zeigen. Zur Gewährleistung der Übersichtlich­ keit sind in diesen Fig. 4 bis 8 lediglich die Bolzen 1 und 2 bezeichnet, die als Verbindungselement zwischen Rotationskolben 8 und Kolbenscheibe 9 (Bolzen 1) bzw. Kolbenscheibe 10 (Bolzen 2) wirken. Die Drehrichtung des Motors entspricht im gezeigten Beispiel dem Uhrzeigersinn.

Fig. 4 zeigt die bereits in Fig. 1 dargestellte Winkelposition 0°. Die Kol­ benscheibe 9 liegt am kreisförmigen Grundkörper 11 des Rotationskolbens 8 an. Demzufolge ist die Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung 4 geschlossen. Die Kolbenscheibe 10 ist ausgeschwenkt und liegt an der Zylinderaußenwand an. Die Abgas-Auslaßöffnung 6 ist somit durch die Außenkontur dieser Kol­ benscheibe 10 ebenfalls geschlossen, während mittels der Innenkontur der Kolbenscheibe 10 das Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet und in die Über­ strömöffnung 5 gedrückt wird.

Fig. 5 zeigt eine Winkelposition von 45°. Das Verdichten und Überströmen des Kraftstoff-Luftgemisches mittels der Innenkontur der Kolbenscheibe 10 ist unmittelbar vor dem Abschluß. Das verdichtete Gemisch ist bereits weitge­ hend in den Bereich der Gewindebohrung der Zündkerze 7 übergeströmt, so daß die Zündung erfolgen kann. Bei Zündung wirkt der Explosionsdruck auf die Arbeitskante 16 der Kolbenscheibe 9 und bewirkt dadurch eine Drehbewegung des Rotationskolbens 8. An der Innenkontur der Kolbenscheibe 9 wird in die­ ser Position bereits die Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung 4 geöffnet, so daß für den nächsten Arbeitstakt das notwendige Kraftstoff-Luftgemisch zugeführt werden kann.

Fig. 6 zeigt den Motor bei einer Winkelposition von 135°. Der Arbeitstakt der Kolbenscheibe 9 ist fast beendet. Das angesaugte Kraftstoff-Luftgemisch wird mittels der Innenkontur der Kolbenscheibe 9 verdichtet und die Über­ strömöffnung 5 wird zunehmend geöffnet. Die Kolbenscheibe 10 liegt in die­ ser Winkelstellung am kreisförmigen Grundkörper 11 des Rotationskolbens 8 an.

Fig. 7 zeigt eine Winkelposition von 180°. Die Kolbenscheibe 10 liegt noch immer am kreisförmigen Grundkörper 11 an. Mittels der Außenkontur dieser Kolbenscheibe 10 wird das im soeben beendeten Arbeitstakt entstandene Abgas in Richtung der Abgas-Auslaßöffnung 6 verdrängt, die noch von der Außenkon­ tur der Kolbenscheibe 9 verschlossen ist. Mittels Innenkontur der Kolben­ scheibe 9 wird das Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet und in die Überström­ öffnung 5 gedrückt. Nach der Winkelposition 180° stellen sich erneut die räumlichen Verhältnisse sämtlicher Bauteile wie ab Position 0° beginnend ein, lediglich mit spiegelbildlicher Lage der Kolbenscheiben 9 und 10.

Folglich entspricht der Funktionsablauf der in Fig. 8 gezeigten Winkelposi­ tion 225° der bereits in Fig. 5 dargestellten Position von 45°. Das heißt, das Verdichten und Überströmen des Kraftstoff-Luftgemisches mittels der In­ nenkontur der Kolbenscheibe 9 ist unmittelbar vor dem Abschluß, das ver­ dichtete Gemisch bereits weitgehend im Bereich der Gewindebohrung der Zünd­ kerze 7. Bei Zündung wirkt der Explosionsdruck nunmehr auf die Arbeitskante 16 der Kolbenscheibe 10, so daß der zweite Arbeitstakt innerhalb einer Um­ drehung erreicht wird. Gleichzeitig verdrängt die Außenkontur der Kolben­ scheibe 10 die Abgase in die jetzt geöffnete Abgas-Auslaßöffnung 6.

Bezugszeichenliste

1 Bolzen
2 Bolzen
3 zylindrische Gehäusekammer
4 Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung
5 Überströmöffnung
6 Abgas-Auslaßöffnung
7 Gewindebohrung für Zündkerze
8 Rotationskolben
9 erste Kolbenscheibe
10 zweite Kolbenscheibe
11 kreisförmiger Grundkörper
12 Steg
13 sichelförmiger Abschnitt
14 spitze Flanke
15 stumpfer Endabschnitt
16 Arbeitskante.

Claims (10)

1. Rotationskolbenverbrennungsmotor, bestehend aus einem Motorgehäuse mit einer zylindrischen Gehäusekammer, in der eine Kraftstoff-Luftgemisch- Einlaßöffnung, eine Abgas-Auslaßöffnung sowie eine Gewindebohrung für eine Zündkerze ausgestaltet sind und in der ein Rotationskolben exzen­ trisch gelagert ist, dem umfangsseitig mindestens zwei schwenkbare Kol­ benscheiben zugeordnet sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Rotationskolben (8) als kreisförmiger Grundkörper (11) ausge­ staltet ist, der an seiner Außenkontur mindestens zwei, in gleichem Abstand voneinander angeordnete Kolbensegmente aufweist, die von der Kreisfläche des Grundkörpers (11) jeweils über einen Steg (12) in einen sichelförmigen Abschnitt (13) mit kreisförmiger Außenkontur übergehen und wobei die schwenkbaren Kolbenscheiben (9; 10) in dem, in Drehrichtung jeweils hinter dem Steg (12) angeordneten Bereich zwischen dem kreisför­ migen Grundkörper (11), dem Steg (12) und dem sichelförmigen Abschnitt (13) gelagert sind.

2. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der sichelförmige Abschnitt (13) des Rotationskolbens (8) von einer in Drehrichtung vorn liegenden spitzen Flanke (14) in einen stumpfen Endabschnitt (15) mit einer geraden, radial verlaufenden Abschlußkante übergeht.

3. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die spitze Flanke (14) des sichelförmigen Abschnitts (13) an der dem kreisförmigen Grundkörper (11) zugeordneten Innenseite im Übergangsbe­ reich des Steges (12) von einer zunächst geringfügig gekrümmten Kontur in eine partiell kreisförmige Kontur übergeht.

4. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der stumpfe Endabschnitt (15) des sichelförmigen Abschnitts (13) an der dem kreisförmigen Grundkörper (11) zugeordneten Innenseite unmittel­ bar an der geraden, radial verlaufenden Abschlußkante in eine partiell kreisförmige Kontur übergeht.

5. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Kolbenscheiben (9; 10) kreisringförmig ausgestaltet sind, wobei jeweils die Kreisring-Innenkontur der Außenkontur des kreisförmigen Grundkörpers (11) und die Kreisring-Außenkontur der Außenkontur des sichelförmigen Abschnitts (13) entsprechen.

6. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1 und 5, gekennzeichnet dadurch, daß jeweils eine Stirnseite der Kolbenscheiben (9; 10) eine gerade, annä­ hernd radial verlaufende Kante aufweist, die in eine partiell kreisför­ mige Kontur übergeht und die jeweils entgegengesetzte Stirnseite eine geringfügig gekrümmte, von der Kreisring-Außenkontur in Richtung der Kreisring-Innenkontur verlaufende Arbeitskante (16) aufweist, die über eine partiell kreisförmige Kontur in die Kreisring-Innenkontur übergeht.

7. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, 3, 5 und 6, gekennzeichnet dadurch, daß die dem kreisförmigen Grundkörper (11) zugeordnete Innenseite der spitzen Flanke (14) des sichelförmigen Abschnitts (13) am Rotationskol­ ben (8) und die mit einer von der Kreisring-Außenkontur in Richtung der Kreisring-Innenkontur verlaufenden Arbeitskante (16) ausgestaltete Stirnseite der Kolbenscheiben (9; 10) jeweils zueinander kongruente Kon­ turen aufweisen.

8. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß an der zylindrischen Gehäusekammer (3) unmittelbar außerhalb der vom kreisförmigen Grundkörper (11) des Rotationskolbens (8) überdeckten Fläche die Kraftstoff-Luftgemisch-Einlaßöffnung (4) derart angeordnet ist, daß diese Einlaßöffnung (4) mittels der Innenkontur der schwenkba­ ren Kolbenscheiben (9; 10) regelbar ist.

9. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß an der zylindrischen Gehäusekammer (3) unmittelbar außerhalb der vom kreisförmigen Grundkörper (11) des Rotationskolbens (8) überdeckten Fläche eine Überströmöffnung (5) derart angeordnet ist, daß diese Über­ strömöffnung (5) mittels der Innenkontur der schwenkbaren Kolbenscheiben (9; 10) regelbar ist.

10. Rotationskolbenverbrennungsmotor nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß an der zylindrischen Gehäusekammer (3) unmittelbar an der Zylinder­ außenwand die Abgas-Auslaßöffnung (6) derart angeordnet ist, daß diese Auslaßöffnung (6) mittels der Außenkontur der schwenkbaren Kolbenschei­ ben (9; 10) regelbar ist.