DE60317720T2

DE60317720T2 - Rotierende kraftfahrzeugbrennkraftmaschine mit niedrigem verbrauch und umweltverschmutzung

Info

Publication number: DE60317720T2
Application number: DE60317720T
Authority: DE
Inventors: Vittorio Patrono
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-08
Filing date: 2003-04-08
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2023-04-09
Also published as: US7478619B2; EP1613839B1; WO2004090289A1; EP1613839A1; US20060196465A1; AU2003224442A1; ES2297153T3; DE60317720D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Der Anwendungsbereich dieser Brennkraftmaschine umfasst alle Maschinen, in denen zur Zeit Hubkolbenkraftmaschinen verwendet werden. Ihre Merkmale hinsichtlich des Verbrauchs und folglich der Betriebskosten und insbesondere der Verringerung der Umweltverschmutzung werden es möglich machen, die Kolbenmotoren, bei deren Wirkungsgrad keine großen Verbesserungen mehr zu erwarten sind, schnell zu verdrängen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um die Erfindung zu verstehen, benötigt man lediglich Grundkenntnisse der Arbeitsprinzipien einer nach dem Ottoverfahren arbeitenden Hubkolbenkraftmaschine sowie einige Kenntnisse der Arbeitsweise von Turbinenschaufeln, Turbokompressoren und Düsen von Raketen- und Strahltriebwerken.
ANALYSE DES PROBLEMS
Das Problem der Umweltverschmutzung durch Auspuffgase in den Bereichen der großen Städte wird praktisch täglich von den Massenmedien behandelt, und oft werden Maßnahmen ergriffen, wie z. B. Verkehr mit abwechselnden Kennzeichennummern oder totales Verkehrsverbot, und die öffentliche Meinung ist sich jetzt dessen bewusst, dass dieses Problem das größte und am dringendsten zu lösende Problem ist.
Die von Fachleuten und Gelehrten auf diesem Gebiet vorgeschlagenen Lösungen sind zahlreich, und fast alle basieren auf Prototypen, die zwar im Labor hergestellt und betrieben werden können, aber aus verschiedenen Gründen keineswegs in großem Umfang und auf Straßen außerhalb der Stadt eingesetzt werden können.
Ein Vorschlag betrifft die Wasserstoffmotoren, deren Betrieb keinerlei Umweltverschmutzung bewirkt, aber gleichzeitig erkennt niemand, dass diese Lösung tatsächlich undurchführbar ist, weil es nur eine Laborlösung ist, die heutzutage nicht in großem Umfang angewandt werden kann, wie es die Dringlichkeit der Situation erfordert.
Wasserstoff, der auf jeden Fall sogar mit der rotierenden Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung mit größeren Vorteilen verwendet werden könnte, ist ein sehr gefährliches Gas, das nicht zum Transport in Tanks in den Kraftfahrzeugen geeignet ist. Um Wasserstoff im gasförmigen Zustand zu halten, müssen in den Fahrzeugen sehr schwere Zylinder mit sehr hohem Druck eingebaut werden, die im Falle eines Unfalls eine extrem ernste Gefahr darstellen würden.
Wenn es durch die Explosion einiger Zylinder dieser Art zu Katastrophen kommt, würde man eine solche Lösung aufgeben werden und erkennen, dass man enorme Geldbeträge für ein Verteilernetz ausgegeben hat, das zur Aufgabe bestimmt war.
Diese Lösung ist jedoch hauptsächlich aus wirtschaftlichen Gründen undurchführbar, und es kann heute nichts durchgesetzt werden, wenn es keine echten Vorteile bringt. Der durch die Fertigungszyklen in der Raffinerie gewonnene Wasserstoff ist gerade ausreichend für deren Betrieb, wo er zur Entfernung von Schwefel aus Benzin und Dieselkraftstoff verwendet wird, und außerdem begann die Entfernung von Schwefel aus Dieselölen auch mit einer exponentiellen Steigerung der Nachfrage nach Wasserstoff, die wahrscheinlich mehr Wasserstoff erfordert als durch die normalen Arbeitsgänge zu gewinnen ist, und es ist sicherlich nicht zweckmäßig, spezielle Fabriken zu bauen, um Wasserstoff aus Benzin zu gewinnen, da das Abfallprodukt Kohle in riesigen Mengen wäre.
Wasserstoff könnte durch Abtrennung vom Wassermolekül in speziellen Werken gewonnen werden, deren Betrieb immer und auf jeden Fall eine Umweltver schmutzung an anderer Stelle erzeugen würde, mit einem Energieverbrauch, der noch höher ist als die durch die erneute Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff im Verbrennungsmotor gewonnene Energie.
Um diese Werke zu betreiben, könnte man sicherlich anstelle von Benzinderivaten Atomenergie zu Abspalten des Wasserstoffs vom Sauerstoff verwenden, aber diese Lösung wäre schlimmer als das Problem. Daher würde man immer anstelle der Lösung nur eine Verlagerung des Problems an andere Stellen oder sogar eine Verstärkung des Problems anderswo erzielen.
Ferner könnte man sich dafür entscheiden, Elektrofahrzeuge zu verwenden, aber für deren Betrieb müsste man Millionen und Abermillionen von Batterien herstellen, wodurch das Problem der Entsorgung der verbrauchten Batterien entstehen würde. Wenn jedoch die Welt bereits durch die derzeit verwendeten kleinen Zellen verschmutzt ist, kann man sich leicht vorstellen, was mit Millionen von großen Batterien geschehen könnte, die man sogar am Straßenrand finden könnte, weggeworfen von verantwortungslosen Menschen, und die den Boden und das Grundwasser mit Blei und anderen noch schlimmeren giftigen Metallen verschmutzen.
Wir würden die Erde nicht mit Kohlenoxid und Kohlendioxid zerstören, sondern mit Metallen, Säuren und anderen giftigen Stoffen, wobei auch zu erwähnen ist, dass es für die Verteilung von Batterien für Kraftfahrzeuge an den Straßen und in den Städten nötig wäre, ein neues, noch nicht vorhandenes Netz einzurichten, und jede Familie wäre gezwungen, ein Auto für den Stadtverkehr und ein weiteres für längere Fahrten zu kaufen, und wo könnten diese zusätzlichen Autos geparkt werden, wenn es nicht genug Parkplätze für die vorhandenen Autos gibt? Und angenommen, die Menschheit akzeptiert diese Lösung, wie lange würden die Familien brauchen, um so ein hohes Einkommen zu erreichen, dass sie sich zwei Autos, eines für den Stadtverkehr und eins zum Reisen, kaufen können? Und außerdem, selbst wenn dies in den entwickelten Ländern möglich wäre, würde der Rest der Welt weiterhin die Umwelt verschmutzen, so dass das Gesamtergebnis extrem gering wäre.
Alle oben genannten Lösungen würden das Problem nur örtlich lösen, genau so, wie einige Autofahrer das Problem der Reinigung ihres Fahrzeugs lösen, in dem sie den Abfall aus dem Fenster werfen. Deshalb sollte diese Lösung sofortig und global sein und keine örtliche Lösung, die das Problem von einem Ort an einen anderen verlagert.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Ein großes Ergebnis würde erzielt, wenn die Emissionen von Kohlenoxid und Kohlendioxid in einigen Jahren weltweit und nicht nur in unseren Städten halbiert würden, und die Menschheit hätte eine kleine Ruhepause und mehr Zeit, um sich eine tiefergreifende und radikalere Lösung zu überlegen.
Da wir noch viele Jahre lang von Verbrennungsmotoren angetriebene Kraftfahrzeuge verwenden müssen, sollte man zumindest anstreben, den Wirkungsgrad dieser Motoren zu verbessern, indem man neue Motoren konstruiert, welche die zur Zeit weltweit verwendeten Motoren fast unverzüglich und wirtschaftlich ersetzen können, das heißt Motoren, die für einen Betrieb mit der Hälfte oder, besser noch, mit weniger als der Hälfte der zur Zeit benötigten Benzin- oder Dieselkraftstoffmenge ausgelegt sind.
Die Lösung besteht in den rotierenden Brennkraftmaschinen. Der Wirkungsgrad der allgemein bekannten Wankel-Motoren, denen auf Grund des Problems des hohen Verschleißes der Verdichtungsringe, die an der Innenseite der Verbrennungskammer mit epitrochoidem Profil schleifen, kein großer Erfolg beschieden war, ist kaum besser als die der rotierenden Brennkraftmaschinen, aber sie sind keine endgültige Lösung dieses Problems.
Die Lösung ist eine tatsächlich rotierende Brennkraftmaschine ohne Probleme einer hohen Reibung zwischen dem Kolben und der Innenfläche der Verbrennungskammer. Dieses Ziel wird durch die rotierende Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung erreicht, weil sie den allgemeinen Wirkungsgrad der Verbrennungsmaschinen tatsächlich und erheblich erhöht und dabei mehr als die doppelten Werte erreicht.
ERGEBNIS DER ERFINDUNG
Mit der Halbierung des Verbrauchs durch die erfindungsgemäßen Motoren werden auch die Betriebskosten von Kraftfahrzeugen halbiert, was zu großen Ersparnissen im Finanzbudget von Familien führt, und das wird die starke Triebfeder sein, die jedermann überzeugt, das Auto so schnell wie möglich zu wechseln. Diese Lösung liegt im Rahmen der Mittel selbst der Bevölkerung der Entwicklungsländer.
Die Umstellung des gesamten Automobilbestands würde in den entwickelten Ländern in wenigen Jahren erfolgen und hätte einen sofortigen Nutzen hinsichtlich der Umweltverschmutzung in den großen Städten und auf der ganzen Welt.
Deshalb wären die Länder nicht gezwungen, ein Vertriebsnetz für Wasserstoffbatterien für Fahrzeuge aufzubauen und könnten stattdessen die vorhandenen Strukturen für die Verteilung von Kraftstoff verwenden, und global wäre weniger Aufwand erforderlich, so dass die vom Kyoto-Protokoll angestrebten Ziele schneller erreicht werden könnten.
Weltweit würde mit Sicherheit schneller eine Verringerung der Emissionen erreicht, und mit dieser Lösung würde kein Problem an andere Stellen verlagert werden, und es würden keine neuen Probleme geschaffen werden, im Gegenteil, es würden zusätzlich zur Umweltverschmutzung weitere Probleme verringert werden, wie zum Beispiel den sofortigen Rückgang der Nachfrage nach Kraftstoff und damit eine drastische Verringerung der Ölimporte und der durch dessen Transport und seine Raffination verursachten Umweltverschmutzung.
Die ölproduzierenden Länder würden angesichts des schnellen Rückgangs der Nachfrage nach Öl scheinbar einen Schaden erleiden, aber selbst diese Länder würden tatsächlich dadurch gewinnen, dass sich die Restlebensdauer ihrer Ölfelder verlängert, was eine längere Tätigkeits- und Nutzungszeit erlaubt.
Das würde zu einer schnellen Erholung der Automobilindustrie führen, die angesichts der Sättigung des Marktes mit den jetzigen PKWs und LKWs mit hohem Verbrauch zur Zeit einen Rückgang verzeichnet; die ganze Welt würde den gesamten Automobilbestand und alle anderen beweglichen und festen Maschinen, die für die Verwendung dieser Motoren ausgelegt sind, umstellen.
Es wäre nicht mehr nötig, sofort die Atomenergie zur Herstellung von Wasserstoff zu nutzen, und die längere Lebensdauer der Ölfelder würde der Menschheit mehr Zeit geben, alternative saubere Energiequellen zu finden.
Die Unterlagen GB 2322913 , GB 534339 , FR 1418535 und JP 58-051291 offenbaren verschiedene Typen von rotierenden Maschinen mit radialen Schaufeln, aber das Problem des Verschleißes wegen der ständigen Reibung und dem schleifenen Kontakt der Schaufeln an der Innenfläche der Rotorkammer wird nicht zufriedenstellend behandelt.
Das größte Problem der rotierenden Maschinen nach dem Stand der Technik wird von der rotierenden Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des kennzeichnenden Absatzes des selbstständigen Anspruchs 1 brillant gelöst.
Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden in den Unteransprüchen genannt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die rotierende Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung wird auf den beigefügten Zeichnungsblättern, die wesentlicher Bestandteil dieser Beschreibung sind, recht detalliert dargestellt.
Die neuartige Lösung besteht darin, dass diese Brennkraftmaschine zwei ineinander angeordnete Rotoren umfasst, die in derselben Richtung und mit derselben Drehzahl rotieren.
Vergleichsweise könnte man sagen, dass der innere Rotor dem Kolben und der äußere Rotor dem Zylinder und Kopf oder der Wankel-Kammer mit epiprotrochoidem Profil entspricht.
Die zwei Rotoren sind in einem Gehäuse untergebracht, das nur an den Lagern von den Rotoren berührt wird. Die Kopffunktion ist in den äußeren Rotor integriert, auf dem die Ansaug- und Auslassventile, das Zündeinstellungssystem und die Zündkerzen montiert sind. Auf dem inneren Rotor sind die Einspritzpumpe und die Einspritzdüsen montiert. Die Ansaug- und Auslassventile sind von innovativer Art mit zwei Bewegungen, um eine Hin- und Herbewegung fast vollständig auszuschließen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Zeichnungen, auf die in der folgenden Beschreibung Bezug genommen wird, sind im Folgenden aufgelistet.
ÄUSSERES ERSCHEINUNGSBILD
Blatt 1 – Außenansicht von vorne
Blatt 2 – Außenansicht, auf die Lufteinlassseite gesehen
Blatt 3 – Ansicht der Kühlluft-Einlasseite
Blatt 4 – Ansicht von oben
GEHÄUSESCHNITTE
Blatt 5 – Axialer Schnitt durch das Gehäuse
Blatt 6 – Axialer Querschnitt durch das Gehäuse – auf die Verteilerseite gesehen
Blatt 7 – Axialer Querschnitt durch das Gehäuse – auf die Vorverdichterseite gesehen
Blatt 8 – Querschnitt durch das Gehäuse – Vorverdichterposition
GEHÄUSEKUPPLUNGSFLANSCH
Blatt 9 – Gehäuse – oberer Flansch A
Blatt 10 – Gehäuse – axialer Flansch B
Blatt 11 – Gehäuse – Ölsumpfflansch C
ROTORENTRÄGER
Blatt 12 – Träger für die Achsen der Brennkraftmaschinenrotoren
MONTAGESCHNITTE DER BRENNKRAFTMASCHINE
Blatt 13 – Axialer Schnitt durch die Brennkraftmaschine
Blatt 14 – Querschnitt durch die Brennkraftmaschine
ÄUSSERER ROTOR
Blatt 15 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – dreidimensionale Ansichten
Blatt 16 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – Ansichten
Blatt 17 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – axialer Schnitt A-A und Querschnitt E-E
Blatt 18 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – Schnitt durch die Ansaugventile
Blatt 19 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – Schnitt durch die Auslassventile
Blatt 20 – Teil Nr. 1 des äußeren Rotors – axialer Schnitt durch die Düsen
Blatt 21 – Teil Nr. 2 des äußeren Rotors – Stirnseiten-Ansichten und axialer Schnitt
Blatt 22 – Ventilverteilerbaugruppe
Blatt 23 – Vorverdichter – Ansichten und Schnitte
INNERER ROTOR
Blatt 24 – Innerer Rotor und seine Welle – dreidimensionale Explosionsansicht
Blatt 25 – Innerer Rotor und seine Welle – Ansichten und Schnitte
Blatt 26 – Nockenwelle der Einspritzpumpe
Blatt 27 – "Planet" und "Satellit" – Explosionsansicht
Blatt 28 – "Planet" – Ansichten
Blatt 29 – "Planet" – Schnitte
Blatt 30 – "Satellit" – Ansichten und Schnitte
Blatt 31 – Explosionsansicht der Rotorenbaugruppe der Brennkraftmaschine
Blatt 32 – Kühlluftumlaufsystem
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die in den oben aufgeführten Zeichnungsblättern dargestellte rotierende Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung ist ein Motor mit einem Hubraum von ca. 1500 cm³ bei Gesamtabmessungen von ca. 560 cm entlang der Achse, 480 cm quer zur Rotationsachse und ca. 480 cm in senkrechter Richtung (Blätter Nr. 1, 2, 3 und 4). Das Gehäuse umfasst vier auf drei Kupplungsflansche geschraubte Elemente, wie in den Blättern Nr. 1, 2, 3, 5, 6 und 7 dargestellt. Die Form der Flansche ist in Blatt Nr. 9 (oberer Flansch A), Blatt Nr. 10 (Axialflansch B) und Blatt Nr. 11 (Flansch C des Ölsumpfes) dargestellt.
Im Gehäuse bewegen sich zwei Rotoren ineinander, deren Rotationsachsen in einer um 15° zur Senkrechten geneigten Ebene (siehe Blatt Nr. 14) und in einem Abstand von 10 mm voneinander angeordnet sind. Die Werte 15° und 10 mm Abstand zwischen den Rotoren können abhängig vom vorgesehenen Hubraum des Motors sowie von Form, Ausrichtung und Größe der im Folgenden beschriebenen Düsen und Auslassventile variieren.
Wie in der Draufsicht von Blatt Nr. 10 und dem senkrechten Schnitt von Blatt Nr. 5 gezeigt, gibt es zwei Kästen 47, 48 außerhalb des Motors. Wenn man auf die Figur schaut, befindet sich ein Kasten 48 am linken Ende, der den Rotorträger 31 auf der Vorverdichterseite und das Rotorsynchronizationsgetriebe 51 enthält, und der andere Kasten 47 befindet sich am rechten Ende und enthält den Rotorträger 20 auf der Zündeinstellungssystemseite.
Die auf Blatt Nr. 12 gezeigten Träger 20, 31 dienen auch als Hauptlager sowohl für den äußeren als auch für den inneren Rotor. Während der äußere Rotor auf der Außenfläche des Trägers verstiftet ist, rotiert die Achse des auf Blatt Nr. 25 gezeigten inneren Rotors in dem in beide Träger eingearbeiteten längs verlaufenden Loch.
Wie weiter oben erwähnt, liegen die Mittelpunkte des Umfangs der Außenfläche der Träger und das längs verlaufende Loch in einer um 15° zur Senkrechten geneigten Ebene (Ansichten B und D von Blatt Nr. 12), und der Abstand zwischen den Mittelpunkten bei dieser Ausführungsform beträgt 10 mm, wie bereits erwähnt.
Auf der Zündeinstellungssystemseite sind Trägerverzahnungen mit spiralförmigen Zähnen eingearbeitet, welche die zwei festen Getriebe darstellen, durch die die Nockenwellen zum Bewegen der Ansaug- und Auslassventile (4 Zündeinstellungs spindeln 10 von Blatt Nr. 22) und zwei Nockenwellen 11 für die Einspritzpumpe (Blatt Nr. 26) angetrieben werden.
ÄUSSERER ROTOR
Der äußere Rotor umfasst zwei Elemente. Das erste Element hat die Form einer auf einer Seite offenen Trommel, wie in der perspektivischen Ansicht von Blatt Nr. 15 und in der Darstellung der zwei Stirnseiten von Blatt Nr. 16 gezeigt, zusätzlich zu den axialen Schnitten A-A und dem Querschnitt E-E auf Blatt Nr. 17.
Auf der geschlossenen Seite dieses ersten Elements befinden sich acht Löcher, durch die die Ansaugventile 41 und die Auslassventile 42 installiert werden, sowie die Rippen 3 des Gebläses für den Zwangsumlauf der Kühlluft. Auf der Umfangsfläche der Trommel sind die Auslässe der Auslassdüsen 5 der Verbrennungsgase und die Ringe der Dichtungslabyrinthe 4 zu sehen. In der Dicke des Trommelkörpers, wie im Schnitt E-E von Blatt Nr. 17 gezeigt, sind die Düsen 5, die Ventile 41, 42, die Zündkerzen 55 und die Kühlrippen 7 angeordnet. Zwei verschleißfestere Metallringe sind neben den Verbrennungskammern angeordnet. Auf diesen Ringen reiben die Verdichtungsringe der später noch beschriebenen Planeten und Satelliten.
Das zweite Element ist scheibenförmig (Blatt Nr. 21) und wird nach dem Zusammenbau des inneren Rotors auf die offene Seite des ersten Elements montiert. Auf dem zweiten Element sind das Zündeinstellungssystem (Blatt Nr. 22) und ein Satz Schaufeln (Schnitt A-A von Blatt Nr. 21) angeordnet, wobei die Schaufeln die Aufgabe haben, den inneren Umlauf von Kühlluft zu erzwingen und zusätzlich zu einer Mehrzahl von Rippen 23 Wärme aus dem Bereich in der Nähe der Verbrennungskammern abzuleiten.
Auf dem ersten Element ist der Vorverdichter 2 verschraubt, der einfach aus der Gruppe von Ansaugkrümmern 63 der Verbrennungsluft (Blatt Nr. 23) besteht, die auf einer Trägerplatte angegossen ist. Auf Grund der radialen Anordnung der Krümmer und ihrer Spiralform arbeiten diese als echte Vorverdichter. Der äußere Rotor ist praktisch ein rotierender Kopf, und darin sind die Ansaugventile 41 (Blatt Nr. 18) und die Auslassventile 42 (Blatt Nr. 19) angeordnet, wie auch auf Blatt Nr. 14 gezeigt. Auch auf dem äußeren Rotor ist eine Zündkerze 55 für jede Verbrennungskammer montiert (Blätter Nr. 14 und 17, Schnitt E-E). Der Zündstrom wird durch eine Strecke kreisrunder Streifen, die in den Labyrinthen angeordnet sind und auf Blatt Nr. 13 mit Bezugsziffer 43 gekennzeichnet sind, zur Zündkerze befördert.
INNERER ROTOR
Der innere Rotor ist in der perspektivischen Ansicht von Blatt Nr. 24 dargestellt, zusammen mit seiner Welle und den Trennelementen der halbmondförmigen Verbrennungskammern (Planet, Satellit, Planetenführer und Druckfeder). Die Stirnseiten des Rotors und die Axial- und Querschnitte sind auf Blatt Nr. 25 zu sehen. Die Trennelemente der Kammern, nämlich die Planeten 38 und die Satelliten 39, sind im Detail in den Explosionsansichten von Blatt Nr. 27 und in den Ansichten und Schnitten der Blätter Nr. 28, 29 und 30 dargestellt.
Auf dem Planeten sowie auf dem inneren Rotor sind Verdichtungsringe montiert, welche die dichte Abdichtung zwischen benachbarten Kammern, die mit unterschiedlichen Hüben arbeiten, garantieren.
Der Planet bewegt sich auf zwei Führungshülsen 37 hin und her (siehe Schnitte A-A und C-C von Blatt Nr. 25), und eine zentrische Feder 40 drückt den Planeten nach außen, wenn bei stillstehendem Motor keine Zentrifugalkraft vorhanden ist, um die Gruppe Planet und Satellit immer mit dem äußeren Rotor in Kontakt zu halten.
Planet und Satellit sind von entscheidender Bedeutung für den Betrieb des Motors. Der als Verdichtungsring arbeitende Satellit befindet sich auf Grund seiner Form und der Zentrifugalkraft kontinuierlich in Passung auf der Innenfläche des äußeren Rotors und reibt darauf, ohne den Kontakt mit dem Planeten, der in seinem Gehäuse um die Achse X rotiert (Blatt Nr. 30), zu verlieren. Der Satellit wird durch einen Splint (Blätter Nr. 27 und 29), der ihn lediglich um die Achse X oszillieren lässt, in seiner Position gehalten.
Im inneren Rotor sind die Einspritzdüsen 60 (Schnitte B-B und D-D von Blatt Nr. 25) und die Elemente der Einspritzpumpe 62 (Ansicht B von Blatt Nr. 25) angeordnet, wobei die Pumpe von zwei von der Verzahnung 53, 54 des Rotorträgers 20 auf der Zündeinstellungssystemseite (Blatt Nr. 12) angetriebenen Nockenwellen 10, 11 (Blatt Nr. 26) betätigt wird. Blatt Nr. 31 ist eine perspektivische Explosions-Montageansicht der beiden Rotoren und der mit ihnen verbundenen Elemente.
REIBUNGEN UND DICHTUNGEN
Wie zuvor erwähnt, rotieren die beiden Rotoren, die durch das im Trägerkasten der Vorverdichterseite (Blatt Nr. 5, Schnitt C-C von Blatt Nr. 6 und Blatt Nr. 10) angeordnete Synchrongetriebe mechanisch gekoppelt sind, synchron und in derselben Richtung.
Es folgt eine Beschreibung der Bewegung des Satelliten auf der Innenfläche des äußeren Rotors während einer ganzen Umdrehung des Motors, beginnend an Punkt X, der dem oberen Totpunkt entspricht (Blatt Nr. 14). In dieser Position befinden sich die Achsen der beiden Rotoren und die Oszillationsachse des Satelliten in derselben Ebene, so dass der Satellit perfekt zum Planeten ausgerichtet ist.
Beim ersten Umdrehungsviertel erreicht die Gruppe Planet und Satellit den Punkt Y, indem sie zehn Millimeter entgegen dem Uhrzeigersinn auf der Innenfläche des äußeren Rotors reibt. Der Satellit ist nicht mehr perfekt zum Planeten ausgerichtet, sondern ist gedreht, um den Kontakt und die dichte Abdichtung auf der Innenfläche des äußeren Rotors aufrechtzuerhalten, so dass die Ebene, in der die Ach se des inneren Rotors und die Oszillationsachse des Satelliten liegen, 10 mm von der Ebene, in der die Achse des äußeren Rotors angeordnet ist, entfernt liegt.
Die Gruppe Planet und Satellit reibt im Uhrzeigersinn auf dem äußeren Rotor, bis sie nach einer halben Umdrehung wieder in die Ausgangsposition zurückkehrt, wenn der Punkt W erreicht ist. Der Satellit ist wieder perfekt zum Planeten ausgerichtet, weil die Achsen der Rotoren und die Oszillationsachse des Satelliten wieder in derselben Ebene liegen und sich die Gruppe Planet und Satellit am unteren Totpunkt befindet.
Nach drei Vierteln einer Umdrehung befindet sich die Gruppe Planet und Satellit in Position J, nachdem sie wieder weitere 10 mm im Uhrzeigersinn gerieben hat. An diesem Punkt befindet sich die Gruppe Planet und Satellit in einer spiegelbildlichen Position zu derjenigen, die sie bei Position Y eingenommen hatte, aber auch in diesem Fall liegt die Ebene der Achse des inneren Rotors und der Oszillationsachse des Satelliten 10 mm von der Ebene, in der die Achse des äußeren Rotors liegt, entfernt. Um den Kontakt mit der Innenfläche des äußeren Rotors aufrechtzuerhalten, ist der Satellit wiederum nicht mehr zum Planeten ausgerichtet und ist um einen Winkel mit entgegengesetztem Vorzeichen wie der Winkel, den er bei Position Y eingenommen hatte, gedreht.
Im letzten Viertel der Umdrehung reibt die Gruppe Planet und Satellit wieder weitere 10 mm entgegen dem Uhrzeigersinn und kehrt in genau dieselbe Position, die sie am Ausgangspunkt innehatte, zurück, d. h. in Position X.
Die Abschnitte des inneren Rotors, die mit dem äußeren Rotor (Verdichtungsringe und Satellit) in Kontakt sind, reiben nicht entlang des gesamten Umfangs der hypotrochoiden Kammer, wie es beim Wankel-Motor der Fall war, sondern bewegen sich vom Ausgangspunkt hin und her, 10 mm im Uhrzeigersinn und 10 mm entgegen dem Uhrzeigersinn, um den Verschleiß auf ein Ausmass zu verringern, das sogar geringer ist als bei den derzeitigen Hubkolbenkraftmaschinen. Die gesamte reibende Wirkung der Verdichtungsringe ist höchstens gleich dem doppelten Ab stand der Rotorachse. In der Tat reiben die näher am Zentrum des Motors gelegenen Verdichtungsringe einige Millimeter weniger als der doppelte Abstand der Rotorachse.
MOTORBETRIEB
Die rotierende Brennkraftmaschine der vorliegenden Erfindung ist ein Viertaktmotor, aber während bei der Hubkolbenkraftmaschine nur einer von vier Takten eines jeden Zylinders ein positiver Takt ist, sind bei dieser rotierenden Brennkraftmaschine zwei von vier Takten positiv, wie auf Blatt Nr. 14 zu sehen ist, auf dem die Abfolge der Ventilpositionen den Expansionshub und den Auslasshub grafisch darstellt.
Blatt Nr. 14 ist eine Querschnittsansicht der Brennkraftmaschine, auf den Vorverdichter gesehen, die Rotationsrichtung in diesem Schnitt ist im Uhrzeigersinn, und im Zentrum sieht man den inneren Rotor (siehe auch Blätter Nr. 24, 25), an seinem Umfang den äußeren Rotor (siehe auch Blätter Nr. 15, 16, 17), und um den äußeren Rotor herum das Gehäuse (siehe auch Blätter Nr. 6, 7, 8 und 5 sowie Blätter Nr. 9, 10 und 11 für die Flansche). Es wird nun der Weg einer der Verbrennungskammern beschrieben, zum Beispiel ausgehend von Position A, in der sich die Kammer kurz nach Beginn der Umdrehung befindet, nachdem sie gerade den oberen Totpunkt passiert hat. Das Volumen der Kammer ist auf dem Minimum, ihr Ansaugventil 41 und ihr Auslassventil 42 sind beide geschlossen, und die soeben gezündete und explodierte Mischung dehnt sich aus und erzeugt dabei einen tangentiellen Schub auf den Planeten in Position Y, während der Druck auf den gegenüberliegenden Planeten in Position X noch null ist, weil der Planet vollständig in sein Gehäuse eingefahren ist.
Der Rotor bewegt sich im Uhrzeigersinn, und wenn sich die Kammer in Position B befindet, sind die Ventile 41 und 42 immer noch geschlossen, und der größere Druck auf den jetzt in Position W befindlichen Planeten im Vergleich zum Druck auf den Planeten in Position Y erzeugt immer noch das Drehmoment, das bewirkt, dass der Rotor im Uhrzeigersinn rotiert. Wenn sich die Kammer in der Zwischenposition zwischen B und C befindet, beginnt das Auslassventil 42 zu öffnen, und sein Öffnen ist abgeschlossen, wenn die Kammer vollständig Position C erreicht.
Während in letzterer Position der Gasschub auf den jetzt eine Position nahe J erreichenden Planeten endet, entweichen die Gase heftig durch das Auslassventil 42 und folgen einem parabolischen Weg, zu dem sie durch die innere Form der Ventiloberfläche gezwungen sind (siehe auch Schnitt E-E von Blatt Nr. 17), und erzeugen dadurch auf dieser Oberfläche einen tangentiellen Schub in derselben Richtung wie die Rotation des Rotors, wie es bei einer Turbinenschaufel der Fall ist.
Die Restwärmeenergie wird jedoch weiter genutzt, indem sie die noch überhitzten Gase in der Düse 5 heftig ausdehnt und dadurch einen weiteren Schub und ein Drehmoment auf deren Wände erzeugt, wie es bei Raketenbrennkammern der Fall ist.
Der Gasschub ist in dieser Phase direkt proportional zur Umfangsgeschwindigkeit der Düse, die bei einer angenommenen Minimaldrehzahl zwischen 7.000 und 10.000 zwischen 448 und 640 Kilometer pro Stunde variiert (Abstand der Düsen vom Rotationsmittelpunkt gleich 0,17 Meter).
Während bei niedriger Drehzahl der größere Prozentsatz des Drehmoments während der Gasausdehnung in der Kammer erzeugt wird (Minimalumfangsgeschwindigkeit der Düse), sind folglich die Prozentsätze bei hoher Drehzahl umgekehrt.
Der Gasschub im Auslassventil und in der Düse ist beendet, wenn die Kammer bei Position D wieder ihr Minimalvolumen hat, d. h. wenn der Rotor praktisch eine volle Umdrehung durchgeführt hat.
Wenn sich die Kammer in Position D befindet, ist das Auslassventil 42 wieder fast vollständig geschlossen, und das Ansaugventil 41, das kurz zuvor begonnen hat zu öffnen, ist jetzt vollständig offen, um neue Luft zuzuführen.
Die Tatsache, dass zwei von vier Takten positiv sind, verleiht der Leistungskurve dieser Brennkraftmaschinen eine ausgeglichene Form, wobei grundsätzlich sowohl bei hoher als auch bei niedriger Drehzahl dasselbe Drehmoment zur Verfügung gestellt wird. Man beachte, dass, wenn der Auslass der überhitzten Gase durch die Düse beginnt, diese Düse zum Auslasskrümmer 25 ausgerichtet ist und gleichzeitig in Fahrtrichtung des Fahrzeugs nach hinten gewandt ist, so dass ein weiterer, wenn auch kleiner, Vorwärtsschub direkt auf das Fahrzeug ausgeübt wird.
Außerdem verlassen die in der Endphase des Kammerauslasses austretenden Gase die jetzt in senkrechter Position befindliche Düse und erzeugen deshalb, nachdem sie mit ihrer Ausdehnung in der Düse das Drehmoment auf den Rotor erzeugt haben, immer noch einen kleinen Schub in Fahrtrichtung des Fahrzeugs, weil sie durch die Kurve der Fläche C zum Auslass abgelenkt werden.
Während bei den jetzigen Hubkolbenkraftmaschinen ein zu reiches Gemisch nur einen höheren Verbrauch und ein Überhitzen des Motors sowie Rauch und unverbrannte Gase verursacht, erzielt man durch einfaches Zuführen zusätzlicher Luft in den Auslasskrümmer 25 die vollständige Verbrennung und maximale Ausnutzung des eingespritzten Kraftstoffs.
Auf Grund ihrer Konstruktion arbeitet die rotierende Brennkraftmaschine immer vorverdichtet, weil die vom Krümmer 1 (Blatt Nr. 13) angesaugte Luft um die Achse des äußeren Rotors herum in den Motor eintritt und durch die Zentrifugalkraft am Ansaugventil verdichtet wird (siehe Ziffer 2 auf Blatt Nr. 13 und Vorverdichter auf den Blättern Nr. 23 und 31).
Während folglich bei einer Hubkolbenkraftmaschine bei hoher Drehzahl das Drehmoment auf Grund des geringeren Volumens zugeführter Luft infolge der kürzeren Öffnungszeiten des Ansaugventils reduziert ist, entfällt dieses Phänomen bei der erfindungsgemäßen rotierenden Brennkraftmaschine, weil bei hoher Drehzahl die kurze Öffnungszeit der Ventile durch den größeren Druck der in die Ansaugventile eintretenden Luft ausgeglichen wird. Deshalb wird das Volumen der der Verbrennungskammer bei hoher Drehzahl zugeführten Luft grundsätzlich gleich dem Volumen der der Verbrennungskammer bei niedriger Drehzahl zugeführten Luft sein. Der Wirkungsgrad dieser rotierenden Brennkraftmaschine wird ferner verbessert durch die Art der für Ansaugung und Auslass gewählten Ventile, die mögliche Auslassöffnung ist größer als die bei den hin- und hergehenden Tellerventilen, und für jede Kammer genügt nur ein Auslassventil und nur ein Ansaugventil, und Ansaugung und Auslass erfolgen bei voller Öffnung und auf ein Minimum reduzierter Turbulenz.
Die Rotationsachse der Ansaug- und Auslassventile ist parallel zur Rotorachse (Blätter Nr. 18 und 19), und ihre Bewegung verursacht keine merkliche Unwucht an den Rotoren.
Das Ansaugventil (Blatt Nr. 18) hat eine offene Unterseite und ist praktisch ein hohler Kegelstumpf mit einem längs verlaufenden Schlitz, dessen Breite und Länge gleich der Auslassöffnung der Kammer sind. Das Auslassventil (Blatt Nr. 19) hat eine geschlossene Unterseite und hat in dem mit der Auslassöffnung der Kammer in Kontakt befindlichen Abschnitt einen längs verlaufenden Hohlraum mit parabolischem Querschnitt.
Die Ventile werden paarweise durch eine Nockenwelle betätigt (was auf Blatt Nr. 22 im Einzelnen zu sehen ist), und auf jedes Ventil wirken drei Nocken, wobei die mittlere Nocke das Ventil in axialer Richtung bewegt, um es von der Kontakt- und Dichtfläche der Rotoransaug- oder Auslassöffnung zu lösen (wegen seiner Kegelstumpfform), während das Paar seitlicher Nocken einen Augenblick danach auf das Ventilbetätigungselement wirkt, das mit seiner Bewegung bewirkt, dass das Ventil in die offene oder geschlossene Position rotiert, da dieses Ventil nicht mehr blockiert ist, sondern frei rotieren kann.
Einen Augenblick nach Schließen oder Öffnen des Ventils beendet die mittlere Nocke ihre Funktion, und das Ventil kehrt, geschoben durch die Feder an seiner Basis, in Kontakt mit der Auslass- oder Ansaugöffnung zurück und garantiert so die Dichtheit.
KÜHLSYSTEM
Auf Grund des höheren Wirkungsgrads dieses Motors ist die während seines Betriebs abgegebene Gesamtwärme geringer als es bei den derzeitigen Hubkolbenkraftmaschinen notwendig ist, und deshalb sind ein innerer Zwangsumlauf (Blatt Nr. 32) von Luft und vom Öl des Schmiersystems sowie ein äußerer Zwangsumlauf zum Kühler ausreichend, um die Temperatur auf akzeptablen Werten zu halten.
Das vom Kühler zurückkommende Kühlöl führt ebenfalls Wärme von den geschmierten heißen Stellen des Motors ab. Die in den Körper des äußeren Rotors eingegossenen Rippen (Bezugsziffer 3 von Blatt Nr. 13, Blätter Nr. 16, 17 und 32) erzwingen einen Luftumlauf im Inneren des Motors und zum Kühler und drücken die Luft durch den Auslass U aus dem Motor, um sie durch den Einlass E zurückzuführen (Blätter Nr. 1, 2, 3 und 4). Der innere Luftumlauf ist frei, während der äußere Umlauf zum Kühler vom Motorthermostat gesteuert wird.
POSITION DES MOTORS
Die beteiligten Gewichte und die hohe Drehzahl erzeugen Schübe auf das Fahrzeug gemäß den Gesetzen über das Verhalten eines Gyroskops.
Damit diese Kräfte zum Vorteil der Fahrstabilität wirken, wird dieser Motor so im Fahrzeug eingebaut, dass die Rotorachse quer zur Fahrrichtung verläuft (siehe Blatt Nr. 4), und die Rotationsrichtung der Rotoren ist nur und ausschließlich die auf Blatt Nr. 14 gezeigte.
Infolgedessen erhalten die mit diesem Motor ausgestatteten Fahrzeuge nur und ausschließlich in den Kurven, sowohl in den Links- als auch in den Rechtskurven, einen stabilisierenden Schub in einer der Zentrifugalkraft entgegengesetzten Richtung, wodurch das Fahrzeug viel stabiler und für den Fahrer leichter lenkbar wird.

1: Verbrennungsluft-Ansaugöffnung
2: Vorverdichter
3: Rippen für Kühlluft-Zwangsumlauf
4: Labyrinth
5: Auslassdüse für verbrannte Gase
6: Kanäle des inneren Kühlkreislaufs
7: Kühlkanäle des äußeren Rotors
8: Auslassöffnung für verbrannte Gase
9: Platte des Zündeinstellungssystems
10: Welle des Zündeinstellungssystems
11: Antriebswelle der Einspritzpumpe
12: Rückkehrraum für die vom Kühler gekühlte Luft
13: Welle des inneren Rotors
14: Dichtring
15: Verschlussstopfen des Trägerkastens
16: Axiallager des äußeren Rotors
17: Axiallager des inneren Rotors
18: Passring des Axiallagers des inneren Rotors
19: Dichtring
20: Träger auf der Zündeinstellungssystemseite
21: Befestigungsbolzen des Trägers auf der Zündeinstellungssystemseite
22: Schmierölsumpf
23: Rippen für Kühlluft-Zwangsumlauf
24: Schmierölrückführung auf der Vorverdichterseite
25: Auslasskrümmer für verbrannte Gase
26: Wärmeisolierungslamelle
27: Isoliermaterial
28: Ölansaugejektor vom Kühlluftkühler
29: Axiallager des äußeren Rotors
30: Befestigungsbolzen des Trägers auf der Vorverdichterseite
31: Träger auf der Vorverdichterseite
32: Axiallager des inneren Rotors
33: Drehmomentachse der Welle des inneren Rotors
34: Passring des Axiallagers des inneren Rotors
35: Synchrongetrieberad des inneren Rotors
36: Synchrongetrieberad des äußeren Rotors
37: Planetenführungshülse
38: Planet
39: Satellit
40: Planetendruckfeder
41: Ansaugventil
42: Auslassventil
43: Motorträger
44: Kühlluftauslass zum Kühler
45: Kühllufteinlass vom Kühler
46: Spannungszufuhrschiene für Zündkerzen
47: Trägerkasten auf der Zündeinstellungssystemseite
48: Trägerkasten und Rotor-Synchrongetrieberad auf der Vorverdichterseite
49: Erster Schalldämpfer
50: Zweiter Schalldämpfer
51: Rotor-Synchrongetrieberad
52: Lager
53: Spiralförmige Verzahnung der Einspritzpumpe
54: Spiralförmige Verzahnung des Zündeinstellungssystems
55: Zündkerze
56: Nocken zur Rotation des Ventils
57: Nocken zur axialen Bewegung des Ventils
58: Ventilbetätigungs-Nockenwelle
59: Kühlrippen des inneren Rotors
60: Einspritzdüse
61: Verdichtungsringgehäuse
62: Einspritzpumpe
63: Verbrennungsluft-Ansaugöffnung

Claims

Rotierende Brennkraftmaschine, bestehend aus zwei ineinander angeordneten Rotoren, die sich auf zwei nicht konzentrischen Achsen mit derselben Drehzahl in derselben Richtung drehen und in einem Gehäuse untergebracht sind, das nur an den Lagern (16, 17, 29, 32) von diesen Rotoren berührt wird, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte des inneren Rotors in Form von radialen Schaufeln, die mit einer inneren Kammer des äußeren Rotors in Berührung stehende Verdichtungsringe haben, nicht am gesamten Umfang dieser Kammer schleifen, sondern sich vom Startpunkt über die Länge eines begrenzten Hubs im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn hin und her bewegen, um die gesamte Schleifwirkung und dadurch den Verschleiß auf höchstens den doppelten Abstand der Rotorachse zu verringern; und dass das Auslassventil (42) und das Ansaugventil (41), die im äußeren Rotor untergebracht sind, Ventile mit vollständiger Öffnung des Durchlasses mit sowohl axialer als auch drehender Bewegung sind, nämlich einer ersten kleinen axialen Bewegung entlang der Ventilachse, die geeignet ist, das Ventil vom dichtenden Gehäuse abzuheben, und einer zweiten drehenden Bewegung, die geeignet ist, abwechselnd die offene Seite und die geschlossene Seite vor die Ansaug- und die Auslassöffnung zu bringen, um so jegliche Hin- und Herbewegung fast vollständig auszuschließen und Turbulenzen verringern zu können durch Mittel zur Ablenkung der Gase während des Auslasses in eine tangentielle Richtung, wodurch auch ein weiteres Drehmoment an der Rotorachse erzeugt wird.
Rotierende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rotor die Funktionen eines Kopfes umfasst, einschließlich des Zündeinstellsystems, des Ansaugventils (41) und des Auslassventils (42) sowie der Zündkerzen (55).
Rotierende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Rotor die Einspritzpumpe (62) und die Einspritzdüsen (60) umfasst.
Rotierende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzentrizität der zwei Achsen eine halbmondförmige Verbrennungskammer erzeugt, die durch vier auf dem inneren Rotor montierte bewegliche Elemente in vier Teile unterteilt ist, wobei diese Elemente aus zwei Körpern bestehen, die durch kontinuierliche Anpassung an die innere Fläche des äußeren Rotors für eine dichte Abdichtung zwischen den Teilen der Kammer sorgen.
Rotierende Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei Körper der die Verbrennungskammer teilenden beweglichen Elemente ein auf dem inneren Rotor montiertes Planetenelement umfassen, das von einer mittigen Feder hin und her bewegt und nach außen gedrückt wird, sowie ein gekrümmtes Satellitenelement, das am Ende des Planeten (38) befestigt ist und um seine Achse oszilliert und das geeignet ist, durch kontinuierliche Anpassung an die innere Fläche des äußeren Rotors als Verdichtungsring zu wirken.
Rotierende Brennkraftmaschine nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Auslassventil (42) unmittelbar nachgeschaltet eine Düse vorgesehen ist, die geeignet ist, durch die schnelle und zusätzliche Ausdehnung der in das Auslassventil (42) abgelenkten überhitzten Gase einen weiteren tangentialen Schub einer dritten Stufe zu erzeugen, um an dem Rotorsystem ein weiteres Drehmoment hervorzurufen.
Rotierende Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugventil (41) die Form eines hohlen Kegelstumpfes mit offenem Boden hat und mit einem Längsschlitz versehen ist, dessen Breite und Länge gleich der Auslassöffnung (8) der Kammer sind, während das Auslassventil (42) dieselbe Form wie das Ansaugventil (41), jedoch mit geschlossenem Boden, hat und in dem mit der Auslassöffnung (8) der Verbrennungskammer in Kontakt stehenden Abschnitt einen längs verlaufenden Hohlraum mit parabolischem Querschnitt hat.
Rotierende Brennkraftmaschine nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die stabile Abdichtung zwischen innerem und äußerem Rotor durch Verdichtungsringe erreicht wird, die auf den konvex gekrümmten Flächen des inneren Rotors und auf dem Planeten (38) montiert sind, zusätzlich zu dem Reibkontakt des Satelliten.
Rotierende Brennkraftmaschine nach den vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Brennkraftmaschine durch einen Zwangsumlauf erreicht wird, der durch ein in den Körper des äußeren Rotors eingearbeitetes System von Rippen (59) erzeugt wird, welches die Luftzirkulation im Inneren der Brennkraftmaschine und zum Kühler erzwingt, sowie durch das vom Kühler zurückfließende Kühlschmieröl.