DE69409256T2

DE69409256T2 - Rotierende maschine

Info

Publication number: DE69409256T2
Application number: DE69409256T
Authority: DE
Inventors: Ian Plextek Limited London Road Essex Cb10 1Ny Murphy; Michael John Allan Plextek Limite Great Chesterford Essex Cb10 1Ny Woodley
Original assignee: Plextek Ltd
Current assignee: Plextek Ltd
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1994-12-16
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2014-12-17
Also published as: GB2288854A; CA2179206C; AU1248695A; WO1995016850A1; US5865152A; GB9325877D0; EP0734486A1; EP0734486B1; CN1049039C; DE69409256D1; AU678666B2; ES2115352T3; GB9425553D0; JPH09509461A; CN1137817A; CA2179206A1; ATE164423T1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine neue Form eines Verbrennungsmotors.

Hintergrund der Erfindung

Der Verbrennungsmotor wird allgemein dazu eingesetzt, Wärmeenergie in mechanische Energie umzusetzen. Der Verbrennungsmotor wurde während der letzten Jahrzehnte insbesondere von Kraftfahrzeugherstellern zu einer kompakten, leichten und leistungsfähigen Einheit weiterentwickelt.
Jedoch bringt das Prinzip eines Hubkolbens, der mittels einer Pleuelstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist und von einem Zylinder begrenzt wird von sich aus Nachteile mit sich. Der Kolben weist durch seine Funktion eine beachtliche Masse und Trägheit auf. Folglich erzeugt das Hin- und Herbewegen Vibration und begrenzt außerdem die maximal mögliche Drehgeschwindigkeit der Kurbelwelle.
Standard-Verbrennungsmotoren, wie diejenigen, die in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, weisen einen relativ geringen mechanischen Wirkungsgrad und eine schlechte Kraftstoffnutzung auf. Ein Grund hierfür ist der kurze Hub des Motors. Die beschränkte Zeit für den Arbeitshub führt zu einer unvollständigen Verbrennung. Die Motoren werden bei höherer Geschwindigkeit zunehmend unwirtschaftlicher, da die Verbrennungszeit entsprechend verkürzt wird.
Ein weiterer Nachteil von Standard-Kolbenmotoren entsteht aus der Ventilüberschneidung. Da sowohl Auslaß- und Einlaßventil gleichzeitig geöffnet sind, wird ein Teil der Luft-/Kraftstoff Mischung unverbrannt ausgestoßen. Der thermische Wirkungsgrad von Kolbenmotoren ist bei weitem nicht optimal. Die Detonation geschieht vor Erreichen des oberen Totpunkts, und folglich verursacht die Ausdehnung der Gase ein Erwärmen der Mischung anstatt Arbeitsenergie zu liefern.
Ein weiterer Nachteil ist, daß der Arbeitshub und der Verdichtungshub in jedem Kolben eine identische Länge aufweisen. Da Kraft nur während des Auslaß- oder Arbeitshubes des Motorzyklus abgegeben wird, könnte die Leistungsfähigkeit eines Motors durch Verlängerung dieses Teils des Zyklus verbessert werden. Obgleich dies theoretisch möglich ist, eignet sich die Konstruktion von gewöhnlichen Zweitakt- oder Viertaktmotoren nicht hierzu.
Zahlreiche Versuche wurden angestellt, um diese spezifischen Nachteile zu reduzieren oder zu umgehen. Der WANKEL-(TM) oder Kreiskolbenmotor ist wahrscheinlich der bekannteste von diesen, in dem ein Kreiskolben zur Drehung einer Welle und somit Erzeugung von Antriebskraft eingesetzt wird. Bei dieser Ausführungsform öffnen und schließen die Seiten eines Rotationskolbens Öffnungen in einer Zylinderwand, so daß der Kolben selbst die "Atmung" des Motors ohne Hilfe der Ventile steuert. Der Kolben weist eine im wesentlichen dreieckige Form mit konvexen Seiten auf und dreht sich in einem Mantel, dessen Querschnittform weitgehend oval und in der Mitte etwas verengt ist (Epitrochoidenkurve). Bei Rotation des Kolbens gleiten die an den drei Ecken befestigten Dichtelemente kontinuierlich längs der Mantelwand. Die drei zwischen dem Kolben und der Wand geformten Kammern werden bei jeder Umdrehung nacheinander vergrößert oder verkleinert. Diese unterschiedlichen Kammergrößen dienen dazu, die Kraftstoff und Luftmischung anzusaugen, die Mischung zu verdichten, das Gas zu verbrennen und das verbrannte Gas auszustoßen. Auf diese Art und Weise wird ein vollständiges Viertaktarbeitsspiel ausgeführt.
Daher treten im Kreiskolbenmotor keine alternierenden Massen auf, die abwechselnd beschleunigt oder abgebremst werden müssen, und die Kräfte oder Trägheit des Hin- und Herbewegens werden daher in diesem Motortyp vermieden. Folglich sind theoretisch höhere Drehzahlen möglich.
Eines der wesentlichsten Konstruktionsprobleme des Kreiskolbenmotors ist jedoch die Abdichtung der drei Kammern von einander. Eine Verbindung zwischen den Kammern würde sich nachteilig auf die richtige Funktion des Motors auswirken. Dieses Problem wurde teilweise mit einem Dichtstreifensystem gelöst.
Jedoch wurden in Bezug auf Verschleiß und Haltbarkeit nur teilweise Fortschritte erzielt und folglich fanden Kreiskolbenmotoren bisher keinen allgemeinen Anklang.
Viele Versuche wurden unternommen, um den WANKEL-Motor zu verbessern, wobei der wesentlichste dieser Versuche, der dem Anmelder bekannt ist, in US 4 401 070 (McCann) beschrieben wird. Diese Veröffentlichung beschreibt einen Motor mit einem Rotor und mindestens einem Flügel, der verschiebbar quer durch den Rotor zur Rotation mit diesem verläuft. Der Flügel weist gegenüberliegende Enden auf, die sich über den Rotor hinaus erstrecken, wobei der genannte Rotor sich in einem Stator dreht, der einen hohlen zylindrischen Innenraum aufweist. Der Stator weist gegenüberliegende Seitenwände mit um den Umfang herum verlaufende Vertiefungen auf, wobei die Vertiefungen der gegenüberliegenden Wände versetzt sind und somit ein quer verlaufendes Hin- und Herbewegen des Flügels bei Drehung des Rotors verursachen. Die Vertiefungen sind so ausgebildet, daß sie die Enden eines jeden Flügels aufnehmen und somit einen dichten Kontakt bilden.
Der Stator besteht in der Praxis aus zwei statischen Gehäusen, die den Rotor umgeben und ihn an beiden Enden der Rotorwelle halten. Die Gehäuse weisen zwei Hohlräume auf, die in ihren Enden ausgebildet sind und die den Rotor und die verschiebbaren Flügel aufnehmen können.
Diese Konstruktion basiert auf einer relativ komplizierten Reihe von Kanälen und Inhaltsvolumen, um eine Aliquote verdichtetes Gas von einer Seite eines Flügels während des Verdichtungszyklus zur anderen Seite des gleichen Flügels für den Arbeitshub zu leiten. Dies vergrößert nicht nur die Dichtprobleme dieses Motortyps sondern erfordert auch eine komplexe Bearbeitung während der Herstellung. Dies bedeutet auch, daß die Hohlräume auf jeder Seite des Rotors alternativ zur Verdichtung und zum Arbeitshub eingesetzt werden.
Es ist daher Ziel der vorliegenden Erfindung eine neue Art Verbrennungsmotor ohne diese Nachteile zu bieten.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß des weitesten Aspektes der Ausführung bietet die vorliegende Erfindung einen Verbrennungsmotor, der folgendes umfaßt:
(i) ein Gehäuse;
(ii) mindestens drei Scheiben, wobei die genannten Scheiben auf einer gemeinsamen Achse ausgerichtet sind, die durch den Mittelpunkt der flachen Oberfläche einer jeden Scheibe führt (d. h. die Scheiben sind nebeneinander oder übereinander gestapelt), wobei die äußeren Scheiben im Verhältnis zueinander befestigt sind und sich als eine Einheit in Bezug auf die Innenscheibe drehen können;
(iii) eine parallelseitige Rille im Umfang der zwei äußeren Scheiben, wobei die genannte Rille ein konstantes Breitenprofil aufweist und so ausgeführt ist, daß sie entweder in der einen oder der anderen Scheibe jedoch nicht in beiden besteht, außer während einer Übergangsphase in der die Rille von einer äußeren Scheibe zur anderen übergeht, die genannte Rille somit zwei Reihen von Kammern bildet, wobei die erste Reihe im Umfang der anderen äußeren Scheibe angeordnet ist und die zwei Reihen durch die innere Scheibe getrennt werden;
(iv) einen Flügel, der im wesentlichen die gleiche Breite wie die Rille aufweist, wobei der Flügel in einem Schlitz im Umfang der inneren Scheibe gehalten wird und der genannte Flügel somit in Bezug zur Drehrichtung der äußeren Scheiben befestigt ist und der genannte Flügel so ausgebildet ist, daß er sich von einer Seite zur anderen im Schlitz bewegen kann, um dem Weg der parallelseitigen Rille bei deren Bewegung von einer äußeren Scheibe zur anderen zu folgen;
(v) mindestens eine Einlaß- und eine Auslaßöffnung im Motorgehäuse;
(vi) mindestens ein Überströmöffnung zur Verbindung der ersten und zweiten Reihe von Kammern;
(vii) eine Zündquelle und vorzugsweise eine Zündkerze;
wobei die innere Scheibe und das Gehäuse in Bezug zu einander feststehen, so daß sich während des Betriebs die zwei äußeren Scheiben in Bezug zur inneren Scheibe und zum Gehäuse drehen und wobei die Zündquelle in der Überströmöffnung angeordnet ist.
Vorzugsweise umfaßt der Flügel eine Reihe von Flügelelementen in, im wesentlichen, paralleler, nicht koaxialer, übereinstimmender Endausrichtung.
Vorzugsweise besteht der Flügel aus einem oder mehreren Flügelteil(en), wobei während deren Einsatz ein oder mehrere Teile positiv zum dichten Kontakt mit der Kammeroberfläche gezwungen werden und wobei die positive Kraft durch hydraulischen Druck ausgeübt wird, die Hydraulikflüssigkeit vorzugsweise Öl ist oder durch eine Kombination von Feder- und Hydraulikdruck.
Vorzugsweise ist der Flügel als drehbarer Nocken ausgebildet, um einen dichten Kontakt mit der Kammer zu bilden und deren Konturen zu folgen.
Vorzugsweise besteht der Flügel aus einer oder mehreren Klappe(n), um einen dichten Kontakt mit der Kammer zu bilden und deren Konturen zu folgen.
Ein Verbrennungsmotor gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flügel anstatt nur den Konturen der Kammer zu folgen, positiv zum dichten Kontakt mit den Kammerwänden gezwungen und so bewegt wird, daß er den Kammerkonturen folgt, wobei die Bewegung des Flügels durch einen Antriebsmechanismus erreicht wird.
Der Anwendungsbereich der Erfindung umfaßt weiterhin einen Verbrennungsmotor mit mehreren Motoren, wie in den vorstehenden Angaben beschrieben, die hintereinander auf einer einzigen Welle angeordnet sind, wobei die Leistung aus dieser Kombination weitgehend der Summe der Leistungen von jedem einzelnen Motor entspricht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ein bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird nachstehend ausführlicher anhand eines Beispiels und der anliegenden Zeichnungen erklärt, wobei Fig. 1 bis 9 sich auf eine erste bevorzugte Ausführung beziehen;
Fig. 1 zeigt eine graphische Querschnittansicht eines Motorgehäuses und konzentrischer Scheiben gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des Umfangs von drei kreisförmigen Scheiben mit einer Rille;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung des Gehäuses um den Umfang der drei kreisförmigen Scheiben gemäß Fig. 2;
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung eines Teils des Umfangs der drei Scheiben und einer Rille, die zwischen den Scheiben verläuft;
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Teils des Umfangs der drei Scheiben in einem anderen Teil des Verbrennungsmotorzyklus.
Fig. 6 zeigt mögliche Anordnungen der Flügel und federbelastete Multikomponenten-Systeme zum Einsatz als Flügel;
Fig. 7, 8 und 9 zeigen ausführlichere Querschnittansichten einer weiteren Version der ersten bevorzugten Ausführungen;
Fig. 10 zeigt zwei Querschnittansichten einer zweiten bevorzugten Ausführung;
Fig. 11 zeigt zwei Querschnittansichten einer dritten bevorzugten Ausführung;
Fig. 12 zeigt zwei Querschnittansichten einer vierten bevorzugten Ausführung;
Fig. 13 zeigt zwei Querschnittansichten einer fünften bevorzugten Ausführung;
Fig. 14 zeigt eine Reihe von Flügeln in Form von drehbaren Nocken;
Fig. 15 zeigt eine Reihe von Flügeln in Form von Klappen;

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die in Fig. 1-15 dargestellten Ausführungen stellen die dem Anmelder bislang besten bekannten Ausführungen der Erfindung dar.
Wo möglich, werden Verweise auf entsprechende Teile eines gewöhnlichen Verbrennungsmotors gemacht.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der Elemente eines Motors gemäß einer ersten bevorzugten Ausführung dieser Erfindung. Die Darstellung zeigt die drei konzentrischen Scheiben 10, 11 und 12, die im Gehäuse 13 angeordnet sind, wobei das genannte Gehäuse die Öffnungen 14 und 15 aufweist durch die eine Verbrennungsmischung und Abgase ein- und ausgeführt werden können. Das Gehäuse entspricht einem Motorblock in einem gewöhnlichen Motor. Der Teil des Gehäusemotors 16 um den Umfang der Scheiben 10-12 entspricht einem gewöhnlichen Zylinderkopf.
Der Ausführung liegt folgendes Konzept zu Grunde. Die innere Scheibe 12 ist feststehend und an beiden Seiten der inneren Scheibe befinden sich zwei äußere, drehbare Scheiben 10 und 11. Die äußeren Scheiben sind so miteinander verbunden, daß sie sich als eine Einheit drehen. Dies kann am einfachsten mittels einer Antriebswelle 17 erfolgen, die in einem Lager (nicht abgebildet) in der feststehenden Scheibe 12 sitzt. Es ist daher verständlich, daß das Gehäuse 13 und die innere Scheibe 12 in Bezug zueinander befestigt sind und die äußeren Scheiben 10 und 11 sich um eine zentrale Welle drehen.
Die Rinne 18 ist nur im Umfang der Scheiben 10 und 11 gebildet, wobei die genannten Scheiben vom Gehäuse 16 umgeben sind. Der Umfang der inneren Scheibe ist mindestens so groß wie der der zwei äußeren Scheiben und bildet somit eine gasfeste Barriere zwischen den Teilen des Kanals an einer Seite, 18A, 18C und 18E (erste Reihe) und den Teilen des Kanals der gegenüberliegenden Seite der Scheibe, d. h. 18B und 18D (zweite Reihe). Hierdurch entstehen tatsächlich zwei Reihen von Kammern, wobei eine Reihe ganz im Umfang einer äußeren Scheibe und die andere Reihe in der anderen angeordnet ist.
Der Begriff Scheibe hat in diesem Zusammenhang eine weitreichende Bedeutung. Natürlich muß der Umfang der Scheibe weitgehend rund sein, um im Motorgehäuse 16 rotieren zu können. Die verschiedenen Scheiben müssen weiterhin an ihrem Umfang zusammenpassen, wie in Fig. 1 abgebildet, um einen, im wesentlichen, gasfesten Kanal zu bilden. Der restliche Teil der Scheibe kann zahlreiche Formen und Konfigurationen annehmen. So ist es z. B. wahrscheinlich, daß der interne Bereich von jeder Scheibe Kühlung und Schmierung benötigt, insbesondere an der Seite des Motors, an der die Verbrennungsgase ausgestoßen werden (siehe nachstehend). Hierzu werden Kühl- und Schmieröffnungen benötigt sowie ein Zirkulationssystem. Es wird beabsichtigt, daß luft-, wasser- und ölgekühlte Modelle, abhängig vom Einsatz des Motors, produziert werden. Die Scheiben können folglich z. B. eine plane Oberfläche aufweisen, wie ein Stapel Unterlegscheiben oder können hohl- d. h. schalenförmig sein.
Der Umfang der drehbaren äußeren Scheiben weist eine parallelseitige Rinne oder einen parallelseitigen Kanal 18 auf. Diese Rille hat eine feststehende Breite und ist so ausgeführt, daß sie in jeder der äußeren Scheiben angeordnet sein kann jedoch nicht in beiden, mit Ausnahme wenn sie von einer Scheibe zur anderen übergeht.
Das Profil der Rille wirkt sich sehr wahrscheinlich auf die Leistung und Langlebigkeit des Motors aus und diese Beschreibung bezweckt alle möglichen Profile aufzuführen.
Die feststehende Scheibe 12 umfaßt Flügel 19, die in den Ritzen 20 im Umfang der Scheibe 12 festsitzen. Die Flügel verlaufen über die gesamte Breite und Tiefe der Rille 18 und bilden eine weitgehend gasfeste Barriere. Die Flügel sind in Bezug auf die Drehrichtung der äußeren Scheiben befestigt, können sich jedoch frei in der Rille bewegen, um dem Verlauf der Rille beim Übergang von einer drehbaren Scheibe zur anderen zu folgen. Zusätzlich zur Halterung durch die Scheibe 12, erstrecken sich die Flügel auch in das Gehäuse 16 und werden ebenfalls von diesem gehalten.
Die Flügel entsprechen den Kolben in einem gewöhnlichen Motor. Es ist daher verständlich, daß die Flügel eine äußerst geringe Masse aufweisen und somit auch die Trägheit des Hubelements in dieser Art von Motor gering ist.
Wie vorstehend beschrieben, bildet die innere Scheibe 12 eine gasfeste Dichtung zwischen der einen Reihe von Kammern und der anderen. Die Ausführung weist jedoch auch speziell ausgebildete Anschlußöffnungen auf, die Überströmöffnungen genannt werden und als 23A, 23B & 23C in Fig. 4 & 5 abgebildet sind. Die Überströmöffnungen sind im Gehäuse 16 angeordnet und bilden eine direkte Verbindung zwischen der Einlaß- und der Auslaßseite des Motors. Sie befinden sich auch an der Stelle wo die Zündung ausgeführt wird, normalerweise durch eine im Gehäuse angeordnete Zündkerze. Die Funktion dieser Überströmöffnungen wird in der nachstehenden Beschreibung des Verbrennungszyklus näher erläutert.
Ein äußerer Ring oder ein Gehäuse 16 ist um die drei Scheiben 10-12 herum befestigt. In Wirklichkeit besteht das gesamte Gehäuse aus zwei feststehenden Scheiben 13A und 13 B und einem äußeren Ring 16 der über all fünf Scheiben paßt. Dieser äußere Ring bietet den mechanischen Halt für die vorstehend beschriebenen Teile.
Der Verbrennungszyklus wird nun im Einzelnen mit Verweis auf Fig. 4 und 5 beschrieben. Diese zeigen einen Teil der Rille 18 in verschiedenen Stadien des Prozesses, wobei zahlreiche Hohlräume oder Kammern beim Vorbeiführen der Rille an den feststehenden Flügeln gebildet werden. Diese Stadien sind:
1. Fig. 4
Kammer A breitet sich aus und saugt eine Brenstoff-/Luftmischung an.
Kammer B wird kleiner und verdichtet die Brenstoff-/Luftmischung in die Überströmöffnung 23B, wobei die rechte Seite von 23B geschlossen ist. Die Brenstoff-/Luftmischung kann in die Überströmöffnung einfließen, kann jedoch nicht wieder ausfließen, da das andere Ende der Öffnung geschlossen ist.
Kammer D wird kleiner und drückt Abgas aus der Auslaßöffnung 22A heraus.
Kammer F dehnt sich unter dem Druck des entzündenden Gases aus, das sich von der Überströmöffnung 23C bis in Kammer F ausdehnt.
Es ist ersichtlich, daß die Überströmöffnungen 23A und 23C sich beide im Feuerungszyklus befinden, d. h. beide Seiten des Flügels sind stets aktiv.
2. Fig. 5
Kammer A beginnt sich gerade zu öffnen, um einen Ansaugzyklus zu starten.
Kammer B ist voll geöffnet und mit Brenstoff-/Luftmischung gefüllt [normalerweise als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet].
Kammer C ist ganz verdichtet, wobei die Brenstoff-/Luftmischung in die Überströmöffnung 23B und daher in Kammer F verdichtet und zur Zündung und folglicher Ausdehnung in Kammer F bereit ist [normalerweise als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet].
Kammer D ist voll ausgedehnt (UT) und ist bereit einen Auslaßzyklus zu starten.
Kammer E ist nach einem Auslaßzyklus vollständig geschlossen.
Dieser Zyklus wird um den Umfang der Scheiben herum wiederholt.
Diese besondere Ausführung des Motors wird ausführlicher in Fig. 7, 8 und 9 dargestellt. Diese Figuren zeigen ein Dreiflügel-/Zweikammermodell. In diesem Zusammenhang kann daher eine Reihe von Kammern nur eine einzelne Kammer aufweisen, z. B. 104, die von einem oder mehreren Flügeln unterteilt ist.
Ein Anzahl Merkmale geht aus der vorstehenden Beschreibung hervor. So findet der Verdichtungszyklus z. B. immer in einer Reihe der Kammern auf der gleichen Seite des Motors statt, d. h. im Umfang einer Scheibe in diesem Beispiel. Umgekehrt wird der Arbeitshub immer in der gegenüberliegenden Scheibe ausgeführt. Hierdurch entstehen einige Vorteile, wie das Vermeiden von abwechselndem Erhitzen und Abkühlen, so daß die Temperatur jeder Scheibe ziemlich konstant bleibt. Weiterhin wird ein schnelles Ausdehnen/Zusammenziehen vermieden, so daß spezielle Vorkehrungen getroffen werden können, um Hitze von der Auslaßseite des Motors zu entfernen.
Zweitens ist es nicht mehr notwendig, daß der Verdichtungshub und der Arbeitshub das gleiche Volumen aufweisen. Sie können unabhängig voneinander und praktisch willkürlich geändert werden, indem einfach die Größe, Form, Länge und/oder Tiefe der Kammern an jeder Seite der Scheibe geändert wird. Die Überströmöffnungen müssen evtl. dementsprechend angewinkelt oder versetzt werden, dies ist jedoch eine relativ einfache Angelegenheit.
Die Zündung kann nun im OT ausgeführt werden, im Gegensatz zu gewöhnlichen Motoren, bei denen die Feuerung normalerweise 10º bis 20º vor dem OT ausgeführt wird, wodurch folglich die Ausgangsleistung erhöht wird, da die gesamte Kraft der Explosion zum Antrieb des Flügels eingesetzt wird.
Der Arbeitshub wird tangential zum Umfang eines Rotors ausgeführt, wodurch eine optimale Kraftnutzung entsteht.
Dadurch, daß der Start der Verbrennung in einer Überströmöffnung ermöglicht wird, sind alle Karburierungs-/Einspritz-/Dieseloptionen möglich. Das heißt, Kraftstoff kann zusammen mit Luft in einen Ansaugvergaser eingeführt werden. Eine andere Möglichkeit ist, den Kraftstoff zu einem geeigneten Zeitpunkt in die Verdichtungskammer einzuspritzen. Eine Hochdruckeinspritzung kann zum Einspritzen von Brensstoff direkt in die Überströmöffnung kurz vor der Zündung eingesetzt werden.
Die interne Form der Überströmöffnung ist wichtig, um eine vollständige Verbrennung zu erzielen und die in gewöhnlichen Benzinmotoren eingesetzten Verfahren können auch hier angewandt werden. Gewöhnlich Zündkerzen können, ähnlich wie in gewöhnlichen Motoren, zur Auslösung der Verbrennung der Kraftstoff-/Luftmischung eingesetzt werden. Die Zündfunkenverstellung kann auch mit gewöhnlichen Mitteln ausgeführt werden.
Die vorstehend beschriebene Anordnung von Scheiben und Kammern ist nur eine der zahlreichen möglichen Konfigurationen. Alternative Ausführungen werden in Fig. 10 bis 13 abgebildet.
Fig. 10 zeigt eine Anordnung, in der die zwei Reihen von Kammern 1-4 nebeneinander jedoch im Abstand zueinander im Umfang einer einzelnen Scheibe 121 angeordnet sind. Anstatt rechtwinklig quer zur Drehungsrichtung der Scheibe, bewegen sich die Flügel in diesem Beispiel radial auf die Ausgangswelle zu und von dieser wieder fort und heben und senken sich im Verhältnis zur Grundfläche der Kanäle. Die Flügel bleiben durch Feder- oder Hydraulikdruck in Kontakt mit den Kanälen, wobei dieser Druck von gewöhnlichen Mitteln ausgeübt werden kann und die Flügel in einem feststehenden, Gehäuse gehalten werden.
Fig. 11 zeigt eine umgekehrte Ansicht dieser Anordnung, in der die Flügel in einer inneren Scheibe 171 gehalten werden und die Kanäle in den inneren Oberflächen des äußeren Gehäuses 176 angeordnet sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführung ist in Fig. 12 abgebildet. In diesem Beispiel drehen sich eine innere 131 und eine äußere 133 Scheibe zusammen auf einer Ausgangswelle, wobei ein Stator 132 die beiden drehenden Scheiben trennt. Der Stator oder die feststehende Scheibe 132 weist Flügel 135 auf, die in Schlitzen gehalten werden, die denen in den Fig. 1-5 beschriebenen, gleichen. Eine Reihe von Kammern wird in der äußeren Scheibe 133 und eine entsprechende Reihe von Kammern in der inneren Scheibe 131 gebildet. Auch hier verlaufen die Flügel radial auf die Ausgangswelle zu und von dieser wieder fort.
Fig. 13 zeigt eine Anordnung, in der zwei Reihen Kammern 144 in der Oberfläche einer Scheibe anstatt in deren Umfang gebildet werden. Die Kammern sind als eine Reihe von Rillen ausgebildet, die in zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, wobei die Ausgangswelle den Mittelpunkt von jedem Kreis bildet. In diesem Beispiel besteht jeder Flügel aus zwei Flügelteilen 145, die unabhängig voneinander ihre Funktion verrichten. Auch hier werden die Flügel durch Feder- oder Hydraulikdruck in dichtem Kontakt mit den Kammern gehalten.
Dies sind nur einige der gemäß dieser Erfindung möglichen Permutationen, wobei die anderen hier nicht weiter abgebildet wurden. Jedes Beispiel weist die benötigte Anzahl Einlaß- und Auslaßöffnungen auf, eine Überströmöffnung, die mit jedem Flügel oder jedem Satz Flügelteile verbunden ist und einer Zündquelle, die mit jeder Überströmöffnung verbunden ist.
Diese Beispiele dienen weiterhin dazu die umfassende Bedeutung des Begriffes Scheibe in dieser Spezifikation zu verdeutlichen. Dieser Begriff bezieht sich auf alle drehbaren oder feststehenden Elemente, die in Kanälen oder Flügeln angeordnet werden können.
Obgleich dies nicht spezifisch abgebildet wurde, ist es möglich, die relative Anordnung der Verdichtungs- und Auslaßkammern zu variieren und somit die Zeitsteuerung und die Leistungsabgabe des Motors zu ändern. Dies ist eine weitere Option, die von gewöhnlichen Motoren nicht geboten wird.
Die Anzahl von Kammern in jeder Reihe und die Anzahl Flügel kann abhängig vom Bedarf eines speziellen Motors geändert werden und wirkt sich direkt auf die Leistung des Motors aus. Das Profil der drehenden Kammer hat auch einen beachtlichen Einfluß auf:
a) die Funktion der Dichtflügel
b) das Timing der Öffnungen;
c) die Motorgröße.
Das ansteigende Winkelprofil der Hohlräume bringt die Leistung, die zum Betrieb der beweglichen Flügel benötigt wird. Bei einem zu großen Winkel wird die Flügelspitze einer hohen Belastung ausgesetzt, wodurch ein hoher Reibungsgrad für die Schnittstellen und Biegemomente und eine hohe Hubgeschwindigkeit des Flügels entsteht.
Der ansteigende Winkel kontrolliert auch die zeitbedingten Vorgänge des Betriebszyklus des Motors. Diese Vorgänge sind ebenfalls vom Profil der Öffnungen im äußeren Gehäuse des Motors abhängig. Das Querprofil des Hohlraums kann in verschiedenen Teilen und Formen konfiguriert werden. Die gewählte Form wirkt sich auf eine Reihe von Parametern aus, wie die:
Gesamtgröße des Motors;
Anzahl der Hohlräume;
Hübe der Flügel;
Größe und Form der Öffnungen.
Wie bei allen heutigen Motoren ist der Wirkungsgrad der Dichtung der Kammer, die die Arbeitsgase enthält, ausschlaggebend für einen wirksamen Motor. Dies gilt sowohl für gewöhnliche Hubkolben- als auch Kreiskolbenmotoren. Die dynamische Dichtung ist eine der schwierigsten Aufgaben, da sie den aus der Geschwindigkeit und Beschleunigung der Dichtung entstehenden Kräften und deren Schnittstellenkomponenten ausgesetzt ist. Dieser Motor benötigt eine Reihe von dynamischen Dichtungen die zum wirksamen Betrieb benötigt werden.
Ein dichter Sitz der Flügel muß wegen der Gase und Drücke um das Profil der drehenden Kanäle in der Scheibe erreicht werden. Der Kanal kann nicht vollkommen rund ausgebildet sein, und folglich müssen die Dichtelemente in der Lage sein, eine Kraft an den Schnittstellen der Flügel, des Kanals und evtl. an den Statorschlitzen auszuüben. Die Dichtflächen des Flügels müssen weiterhin eine Reib-/Hubbewegung aushalten, die abhängig von der Motorgröße, zu höheren Geschwindigkeiten und Beschleunigungen führen könnte. Dies kann auf verschiedene Art und Weisen erreicht werden und es sollte nicht vergessen werden, daß der schieberartige Flügel die benötigten widerstandsfähigen Eigenschaften aufweisen muß, um den Konturen der Ritze 18 zu folgen und gleichzeitig verschleißfest sein. Der Flügel kann jedoch auch aus einer Reihe von parallelen Flügelelementen 24 bestehen, wie in Fig. 6 abgebildet. Die Flügelelemente können sich frei und parallel zueinander bewegen, wobei diese Anordnung den Vorteil bietet, Reibung und Verschleiß zu reduzieren, da der Flügel 19 der querbewegenden Rille 18 folgt.
In einer weiteren Ausführung, können die Flügel oder Flügelkomponenten aus zwei oder mehr Teilen bestehen, die auf der Ebene der feststehenden Scheibe 12 aufeinander treffen. Die Teile werden durch eine Feder oder ein anderes elastisches Element oder durch Flüssigkeitsdruck auseinander gezwängt und kommen somit in Kontakt mit den Wänden der Rille. Auf diese Art und Weise ist es möglich, den unvermeidlichen Verschleiß der während des Betriebs am Ende der Schieber auftritt auszugleichen.
Verschiedene alternative Flügelkonstruktionen sind in Fig. 14 und 15 abgebildet. Fig. 14 zeigt eine Reihe von Nocken 155, die zu einem Ende hin um den Drehpunkt 158 gedreht sind, so daß die Nocken von einer Seite zur anderen schwingen können, um den Konturen des Kanals 154 bei dessen Übergang von einer Scheibe zur anderen, wie in der ersten bevorzugten Ausführung beschrieben, zu folgen. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens ist ein Nocken von sich aus besser in der Lage den Drücken und Kräften in einem Motor zu widerstehen. Zweitens können Dichtungselemente 59 an strategischen Punkten in der Nocken angeordnet werden und diese können mit Feder- oder Hydraulikdruck in einen dichten Kontakt mit den Kammerwänden gebracht werden.
Bei Bedarf können auch Maßnahmen getroffen werden, um diese Nocken so anzutreiben, daß sie positiv dem Weg des Kanals folgen anstatt einfach von dessen Verlauf geführt zu werden, obgleich dies eine komplexere Motorkonstruktion erfordert.
Eine weitere Variante wird in Fig. 15 abgebildet, die ein alternatives Modell eines Drehflügels darstellt. In diesem Beispiel wird ein Flügel 165 um einen Drehpunkt 168 gedreht, wobei der Drehpunkt innerhalb der statischen Scheibe 162 liegt. Der Flügel steht unter Druck von den Federn 69, um einen dichten Kontakt mit den Seiten des Kanals zu bilden. Tatsächlich wurde ein Flügel 165 in zwei Flügelteile 165A und 165B unterteilt, deren Funktionen unabhängig voneinander ausgeführt werden. Hierdurch kann jeder Flügelteil im optimalen Winkel zur Kanalwand positioniert werden.
Dieses vollkommene neue Motorenprinzip bietet eine Reihe wichtiger Vorteile. Erstens kann der Durchmesser der Scheiben, d. h. der drehende Teil des Motors relativ klein gehalten werden. Somit kann der gesamte Triebwerksblock klein und leicht gestaltet werden. Solche Motoren werden neue Einsatzbereiche wie kleine Gartengeräte, z. B. Rasenkanten- und Freischneider finden, wo benzinbetriebene Modelle bisher nur in Industrieausführungen eingesetzt wurden.
Genauso bedeutend ist die Tatsache, daß durch den kleinen Radius der Scheiben kleinere Gleit- /Reibungsgeschwindigkeit zwischen der Scheibe und dem Stator auftreten. Dies reduziert die an den Dichtungen erzeugte Hitze, wodurch wiederum die Möglichkeit von Reibungsschweißen verringert wird. Tatsächlich steigen mit abnehmenden Durchmesser der drehenden Scheiben(n) die U/min des Motors. Zweitens kann ein leistungsfähigerer Motor einfach durch Anordnung zusätzlicher Einheiten auf der gleichen Ausgangswelle geschaffen werden. Da jedes Motormodul eine selbständige Einheit ist, können so viele Einheiten wie für eine Anwendung benötigt, zusammen eingesetzt werden. So ist es theoretisch möglich ein Standard-Motorenmodul zu produzieren und einfach mehrere von diesen zu kombinieren, um die benötigte Leistung für eine spezielle Anwendung zu erzielen. Dies hat im Vergleich zu derzeitigen Situation, wo Hersteller eine Reihe verschiedener Motoren für eine Serie von Fahrzeugen herstellen, offensichtliche Vorteile.
Die genauen Einzelheiten, die zum Umsetzen der Erfindung in die Praxis benötigt werden, bilden einen unvermeidlichen Teil des Allgemeinwissens eines erfahrenen Anwenders an den die Beschreibung gerichtet ist.

Claims

1. Verbrennungsmotor, einschließlich

(i) einem Gehäuse (13);

(ii) mindestens drei Scheiben (10, 11, 12), wobei die genannten Scheiben (10, 11, 12) auf einer gemeinsamen Achse (17) ausgerichtet sind, die durch den Mittelpunkt einer der flachen Oberfläche einer jeden Scheibe (10, 11, 12) verläuft (d. h. die Scheiben (10, 11, 12) sind nebeneinander oder übereinander gestapelt), wobei die äußeren Scheiben (10, 11) in Bezug zu einander befestigt sind und sich als eine Einheit mit Bezug auf die innere Scheibe (12) drehen;

(iii) einer parallelseitigen Rille (18), die im Umfang der zwei äußeren Scheiben (10, 11) angeordnet ist, wobei die Rille (18) ein konstantes Breitenprofil aufweist und so ausgeführt ist, das sie in der einen oder der anderen Scheibe (10, 11, 12) jedoch nicht in beiden angeordnet ist, außer während einer Übergangsphase, in der die Rille (18) von einer äußeren Scheibe (10, 11) zur anderen (10, 11) übergeht, die genannte Rille (18) somit zwei Reihen von Kammern (18A, 18C, 18D, 18E) bildet, die erste Reihe (18A, 18C und 18E) im Umfang der anderen äußeren Scheibe (10) angeordnet ist und die zwei Reihen (18B und 18D) durch die innere Scheibe (12) getrennt werden;

(iv) eines Flügels (19), der im wesentlichen die gleiche Breite wie die Rille (18) aufweist, wobei der Flügel (19) in einem Schlitz (20) im Umfang der inneren Scheibe (12) gehalten wird und der genannte Flügel (19) somit in Bezug zur Drehrichtung der äußeren Scheiben (10, 11) befestigt ist und der genannte Flügel (19) so ausgebildet ist, daß der Flügel (19) sich von einer Seite zur anderen im Schlitz (20) bewegen kann, um dem Weg der parallelseitigen Rille (18) bei deren Bewegung von einer äußeren Scheibe (10) zur anderen (11) zu folgen;

(v) mindestens einer Einlaß- und einer Auslaßöffnung (23A, 23B, 23C) im Motorgehäuse (16);

(vi) mindestens einer Überströmöffnung (23A, 23B, 23C) zur Verbindung der ersten und zweiten Reihe von Kammern (18A, 18B, 18C, 18D, 18E);

(vii) einer Zündquelle und vorzugsweise einer Zündkerze;

wobei die innere Scheibe (12) und das Gehäuse (13) in Bezug zu einander feststehen, so daß sich während des Betriebs die zwei äußeren Scheiben (10, 11) in Bezug zur inneren Scheibe (12) und zum Gehäuse (13) drehen und wobei die Zündquelle in der Überströmöffnung (23A, 23B, 23C) angeordnet ist.

2. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei der Flügel (19) eine Reihe von Flügelelementen (24) in, im wesentlichen, paralleler, nicht koaxialer, übereinstimmender Endausrichtung aufweist.

3. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei der Flügel (19) aus einem oder mehren Flügelteil(en) (105, 125, 145, 175) besteht und wobei während des Einsatzes ein oder mehrere Teile (105, 125, 145, 175) positiv zum dichten Kontakt mit der Kammeroberfläche (104) gezwungen werden und wobei die positive Kraft durch hydraulischen Druck ausgeübt wird, die Hydraulikflüssigkeit vorzugsweise Öl ist, oder durch eine Kombination von Feder- und Hydraulikdruck.

4. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei der Flügel (19) als drehbarer Nocken (155) ausgebildet ist, um einen dichten Kontakt mit der Kammer (154) zu bilden und deren Konturen zu folgen.

5. Verbrennungsmotor gemäß Anspruch 1, wobei der Flügel (19) aus einer oder mehreren Klappe(n) (165) besteht, um einen dichten Kontakt mit der Kammer (164) zu bilden und deren Konturen zu folgen.

6. Ein Verbrennungsmotor gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flügel (19) anstatt nur den Konturen der Kammer (164) zu folgen, positiv zum dichten Kontakt mit den Kammerwänden (167) gezwungen und so bewegt wird, daß er den Kammerkonturen (164) folgt, wobei die Bewegung des Flügels (19) durch einen Antriebsmechanismus (129, 149, 169, 179) erreicht wird.

7. Verbrennungsmotoren gemäß jedem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, die hintereinander auf einer einzigen Welle (101, 121, 141) angeordnet sind, wobei die Leistung aus dieser Kombination weitgehend der Summe der Leistungen von jedem einzelnen Motor entspricht.