DE7721903U1 - Rotationskolbenverbrennungsmotor - Google Patents

Description

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Rotationskolben^erbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenverbrennungsmotor. Der Anwendungsbereich des Motors entspricht dem aller anderen im Gebrauch befindlichen Verbrennungsmotoren.

Hubkolbenmotoren sind bekanntlich aufgrund ihres mechanischen Prinzipes besondere Nachteile eigen. Die Energieentfaltung erfolgt linear, so daß aufwendige mechanische Umformungselemente zur Erzielung einer Rotationsbewegung erforderlich sind, die den mechanischen Wirkungsgrad verschlechtern und sich auch in einem größeren Fertigungsaufwand und höherem Preis niederschlagen. Obendrein kann die freiwerdende Energie beim Hubkolbenmotor nicht voll genutzt werden, da die im thermischen Kreisprozeß anfallende Energie des 3«Taktes durch den begrenzten Hub nicht voll genutzt werden kann.

Obwohl dieser Nachteil bei dem Kreiskolbenmotor nach Wankel z.T.

eliminiert ist, hat sich auch dieser Motor wegen seines höheren Verbrauches und nicht ganz befriedigenden Drehmomentes und auch ,aufgrund seiner Dichtungsprobleme nicht ganz durchsetzen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Vorteile des Hub- * kolbensystems mit denen des Drehkolbensystems zu verbinden, ohne deren Nachteile zu übernehmen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale gelöst _α Ii

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll an Hand der Anlagen erläutert werden. Dabei zeigt

Fig. I einen Querschnitt entsprechend B-B in Figur II Fig. II eilten Querschnitt des Motors Fig. ill eine Teilansicht des Schwenkschiebers Fig. IV eine schematische Darstellung der Kolbenbewegung Fig. V eine Teilansicht der Verdichtungsschnecke

Das erfindungsgemäße Prinzip besteht darin, daß die einzelnen Funktionsräume des Verbrennungsmotors, die beim Hubkolbenmotor in Gestalt des Zylinderraumes zusammenfallen, aufgeteilt und einzeln regelbar werden. So ist ein Verdichtunsraum in Gestalt einer Verdichtungsschnecke (5) vorgesehen, die über ein Ansaug-

rohr (lo) durch die Ansaugöffnung (9) mit Gemisch gefüllt wird. Die Verdichtungsschnecke weist zwei halbe tiefe Schneckenwindüngen (2o) auf, die von der Schneckenummantelang (?) abgedeckt sind und jeweils ein definiertes Volumen haben. In diese Schnekkentäler greifen an zwei gegenüberliegenden Seiten der Verdichtungsschnecke die Flügel des Verdichtungsrotors (6) ein und zwar derart, daß die Schneckentäler an dieser Stelle durch den eingreifenden Flügel geteilt werden, wobei die Drehbewegung des Rotors durch Bewegung der Schnecke erzeugt wird. Diese wiederum ist mit der zentralen Welle verbunden, auf die der Kolben (1) mittels Kolbenrad (2) seine Kraft abgibt.

Die Rotorflügel verdichten das in der drehenden Verdichtungsschnecke enthaltende Gemisch und befördern es unter zunehmender Kompression durch eine seitliche Öffnung in der nach außen hochgezogenen Verdichtungsschnecke in die Verbrennungskammer (5)« Die Begrenzung der Verdichtungsschnecke in Richtung auf die feststehende Verbrennungskammer ist bis auf die Durchtrittsstelle der komprimierten Gase glattflächig ausgefüllt. Die Durchtrittsöffnung ergibt sich in Form und Größe durch den Rotorflügel, der in einer bestimmten Stellung (bei waagerechter Position) in die Verbrennungskammer hineinragt und dabei das gesamte angestaute Gemisch hier hinein abstreift.

Hinter den stauenden Rotorflügeln (bezogen auf die Bewegungsrichtung der Verdichtungsschnecke) befindet sich die größere Ansaugöffnung in der Schneckenmantelung, durch die mittels Sog das frische Gemisch angesogen wird. Somit ist der Rotor aufgrund der Drehbewegung der Schnecke gleichzeitig Kompressions- und Ansauginstrument.

Es werden mithin bei der Konstruktion der Verdichtungsschnecke, die zwei Rotoren zu vier Flügeln und zwei halbe Schneckentäler vorsieht, bei einer ganzen Umdrehung der Schnecke viermal definierte Gemischvolumina aufgesogen und auch viermal zu einem bestimmten Zeitpunkt impulsförmig und mit einem bestimmten Verdichtungsgrad in die Verbrennungskammern (4) gegeben. Dabei vollführt der Rotor eine halbe Umdrehung. Dieser gesamte Vorgang des Ansaugens und Komprimierens erfolgt ohne jegliche zusätzliche Steuerung durch Ventile und Regelmechanismen.

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Die Verbrennungskammer ruht auf dem feststehenden Mittelständer und ist oben von dem Motorgehäusemantel umgeben und an den Seiten von der Verdichtungsschnecke und dem Expansionsraum (19) begrenzt. Sobald das komprimierte Gemisch aus der Verdichtungsschnecke durch den Einlaßschlitz (E) vollständig in die Verbrennungskammer hineingedrückt ist, wird diese geschlossen, indem die glatte Kreisfläche der weiterdrehenden Schnecke als Wand der Verbrennungskammer dient.

Zu dem Zeitpunkt des Einströmens des komprimierten Gemisches ist die Verbrennungskammer zur Seite des Expansionsraumes hin durch den Kolben begrenzt, so daß das hineinströmende komprimierte Gemisch nicht entweichen kann. Mit Abschluß der Füllung, wenn die Verbrennungskammer allseitig geschlossen ist, erfolgt mittels der Zündkerze [Ik) die Zündung des Gemisches. Zeitlich zusammenhängend mit diesem Augenblick hat das hintere Ende des Kolbens (1) den Rand der Verbrennungskammer erreicht. Mittels eines Schwenkschiebers (13), der in Ruhelage in einer Aussparung des Zylinderständers vor der Verbrennungskammer sich befindet, wird hinter dem sich weiterbewegenden Kolben der Zylinder- und der Verbrennungs- * raum abgedichtet, so daß auf diese Weise aus diesen beiden Räumen

ein geschlossener Expansionsraum wird, in dem sich die entzündeten Gase ausdehnen können und den Kolben vorantreiben. Sobald der Kolben den Auslaßschlitz überquert hat, können die Abgase durch diesen entweichen.

Wenn, wie im vorgegebenen Beispiel zwei Kolben im Expansionsraum an gegenüberliegenden Positionen auf dem Kolbenrad (2) montiert, sich bewegen, und zwei Verbrennungskammern vorhanden sind, dann wird durch die Expansion des entzündeten Gemisches der Kolben vorangetrieben und leistet dabei die Arbeit. Der Kolben stößt aber auch gleichzeitig das verbrannte und vollständig expandierte Verbrennungsgemisch des vorherigen Arbeitstaktes mit seiner Vorderseite zum Auslaßschlitz hin und aus diesem hinaus. Der geschlossene Schwenkschieber dient dabei als Hindernis, das die Abgase aus dem Zylinderraum in das Auspuffsystem hinausdrängt.

In Analogie zu der Doppelwirkung des Hotors kommt somit dem Kolben im Zusammenhang mit dem Schwenkschieber ebenfalls eine doppelte Funktion zu. Er ist gleichzeitig der energieaufnehmende

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takt bewerkstelligt« Demnach ist der Rotationskolbenmotor funktionell ein Viertaktmotor, faktisch aber ein Eintaktmotor, da bei jeder halben Umdrehung (was beim Hubkolbenmotor einem Hub entspricht) ein Arbeitsschub erfolgt, so daß bei zwei Kolben und zwei Verbrennungsmotoren in einer vollen Umdrehung vier Arbeitstakte Zustandekommen. Dieses Prinzip ist natürlich auch mit mehreren Kolben bei einem größeren Radius vorstellbar. Beispielsweise kommen bei drei Kolben in einer Umdrehung neun Arbeitstakte zustande. Es liegt im Wesen der Erfindung, daß durch den ausschließlich peripheren Angriff der Kraft am äußeren Abschnitt des Kolbenrades ein günstiges Drehmoment erzielt werden kann.

Der Schwenkschieber ist der einzige Teil, dessen Funktion durch eine zusätzliche Steuerung geregelt werden muß. Er ist mit einem Schwenkarm an einem Drehpunkt am äußeren Rande der Motorstirnwand (15) befestigt. Auf den Schwenkarm greift ein Gestänge ein, das durch die Steuerschiene (12) bewegt wird. In dieser Steuerschiene, die am äußeren medialen Ende der Verdichtungsschnecke befestigt ist und somit in der Geschwindigkeit der Hauptwelle rotiert, wird das eine Ende des Gestänges mittels eines Kugellagers geführt. Die Ausschläge, die die Schiene dem Gestänge verleiht, bewegen sich maximal um einen Zentimeter und haben einen flachen, s-förmigen Verlauf, der eine schonende Krafteinwirkung gewährleistet _e

Diese Form findet sich auch in der Konfiguration des Kolbenendes wieder, an dem entlang der Schieber sich bewegt. Die Dichtungsund kinematischen Verhältnisse, die hier auf den ersten Anblick problematisch erscheinen, können wie folgt gelöst werden.

Die flache, s-förmige Gestaltung des Kolbenendes erlaubt ein relativ langsames und ruckfreies Bewegen des Schwenkschiebers. Diese Form berücksichtigt die Tatsache, daß der Schieber erst allmäh lieh von der Geschwindigkeit Null auf die Höchstgeschwindigkeit beschleunigt und dann wieder langsam auf die Geschwindigkeit Null an der Zylinderseite verzögert wird» Die Steuerung des Schwenkschiebers hat also im Gegensatz zur Regelung der Ventile beim Hubkolbenmotor Zeit. Wie aus Fig· IV hervorgeht, bedarf es lediglich bei Schließen des Schwenkschiebers einer exakten Regelung,

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während das Öffnen nicht in mechanischer Berührung mit einem anderen Motorteil erfolgt und deswegen mit großem Spiel geregelt werden kann.

Die Steuerung des Schließvorgarjjes des Schwenkschiebers wird nicht hauptsächlich von der Steuerschiene vorgenommen und die dazu nötige Energie überhaupt nicht der Steuermechanik entnommen. Der Schwenkhebel weist an seinem Ende eine zum Inneren der Verbrennungskammer gerichtete Nase auf, an deren Rückseite der Kolben entlanggleitet, solang sich dieser in der Höhe der Verbrennungskammer bewegt. Der Druck des verdichteten Gemisches und vor allem er entzündeten Gase wiikt auf diese nasenförmige Leiste ein, so daß der Schieber, in stetigem Kontakt mit dem hinteren Ende des Kolbens, zur gegenüberliegenden Seite des Expansionsraumes getrieben wird und dort durch den anhaltenden Druck für eine feste Abdichtung des Expansionsraumes sorgt. Die Dichtung wird dabei nach Art der Fig. III vorgenommen. Der Schwenkschieber läuft an seinem oberen und unteren Ende in einer tiefen Führung des Gehäuses, die die Drucke aufnimmt, die Kühlung an den Schieber weiterreicht und zu keinem Zeitpunkt von den Verbrennungsgasen berührt wird. Die Führungsrinnen haben obendrein Kontakt mit dem Schmiersystem. Oelabstreifleisten am Ende des Schiebers halten das Schmiersystem geschlossen. Auf den Gleitflächen des Schiebers | befindet sich eine Kugellagerleiste.

Es wird somit ersichtlich, daß der Verbrennungsvorgang selbst den Schluß des Schiebers bewirkt. Der Führungsschiene kommt dabei lediglich die Rolle der Sicherung zu. Somit wird der Schwenkarm pas-l siv von dem Schieber gezogen und nicht der Schieber vom Schwenkarm!

gedrückt, während bei der Offnungsbewegung der Schieber von dem

Führungsgestänge aktiv gezogen wird. Der Schieber ist so konzi- |

piert, daß er bedarfsweise von OeI oder Luft gekühlt werden kann, während der Motor selbst Wasserkühlung aufweist.

Der Schwenkschieber ist der einzige Verschleißteil in der Konstruktion. Er muß fertigungstechnisch so gestaltet sein, daß er mit wenigen Handgriffen ausgewechselt werden kann. Der Gasstrom weist vom Eintritt in die Verdichtungsschnecke bis zum Austritt durch den Auslaßschlitz (A) eine einheitliche Strömungsrichtung auf, die in der Verbrennungskammer nur kurz angehalten aber in der Richtung nicht umgelenkt wird. Die Ein- und Austrittsöffnungen sind großlumig und bieten nur geringen Strömungswiderstand.

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Da in der Verbrennungskammer die Ein- und Austrittsöffnung an der gegenüber^-liegenden Seite sind, ergibt sich die Möglichkeit einer weitgehenden Herausspülung der restlichen Abgase des Vortaktes durch das neue Gemisch, kurz bevor der Kolben die Verbrennungskammer gänzlich vom Expansionsraum abschließt.

Ein besonderer Teil der erfindungsgemäßen Lösung ist die Variierung der Motorleistung durch Steuerung der Gemischvolumina. Bekanntlich ist der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors unter Teillastb"aingungen erheblich vermindert, da nur die Brennstoffkomponente verringert wird, während der Luft-anteil in der Zylinderfüllung gleichbleibt. Das hat zur Folge, daß eine relativ geringere Wärmemenge sich auf ein zu großes Volumen verteilt, wodurch der Verbrennungsvorgang ineffizienter wird. Andererseits weLst der Hubkolbenmotor, sofern er nicht aufgeladen wird, bei hoher Drehzahl einen verminderten Liefergrad auf, der im ungünstigen Fall bei 0,75 liegen kann.

Durch den Volumenregelschieber (8) kann das aufgenommene Gemischvolumen auf sehr einfache Weise geregelt werden und dadurch eine ideale und ökonomische Ausnutzung des Treibstoffes auch bei Teillastbedingungen erreicht werden. Der Regelschieber läßt sich durch eine einfache Regelmechanik auf der Öffnung der Ummantelung der Verdichtungsschnecke paralell zur Welle verstellen. Die jeweilige Stellung des Schiebers legt fest, von welchem Punkt des unter ihm durchlaufenden Schneckentales an die Stauung des Rotors zur Wirkung kommt. Bei geöffnetem Schieber weisen die äußeren Abschnitte des Schneckentales gleichsam noch kein Dach auf, weswegen die angestauten Gemischmassen aus der Öffnung herausgedrängt werden. Der Gemischüberlauf stutzen (1.1) sorgt dann dafür, daß dieses nicht gebrauchte Gemisch auf der anderen Seite des Rotors für die Füllung des nächsten Schneckentales zur Verfügung gestellt wird.

Diese Regelung ermöglicht, daß das Volumen des zu komprimierenden Gases eines Schneckentales bis auf etwa 1/5 des Gesamtvolumens vermindert werden kann. Das bedeutet, daß die Leistungsregelung des Motors überwiegend durch die Volumenregelung erfolgen kann. Erst unterhalb von ca, l/k des Volumens der Schnecke muß der Vergaser die Regelung übernehmen» Andererseits kann bei Höchstbelastung der Liefergrad auf 1,0 und darüber hinaus angehoben werden indem die Schneckentäler größer dimensioniert werden, als es dem

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« Der Aufstau des nicht gebrauchten Gemisches vor dem Rotor bedeutet Verlust von Energie. Dieser freilich geringe Kraftaufwand läßt sich dadurch vermeiden, daß auch die Ansaugöffnung durch einen Schieber geregelt wird, der sich dem Volumenregelschieber gegensinnig bewegt, d.h. er ist bei Vollast völlig offen und wird bei Teillast zunehmend von außen nach innen ( in Richtung Verbrennungskammer ) geschlossen. Auf diese Weise wird die Füllung des Schneckentales graduell vermindert.

Die Volumensteuerung muß sich naturgemäß auch in der Veränderbarkeit des Volumens der Verbrennungskammer wiederfinden. Diese erfolgt derart, daß die eine Seite der Verbrennungskammer durch eine einfache Zahnradsteuerung beweglich gestaltet wird. Die Steuerung kann beispielsweise über einen kleinen elektrischen Regelmotor erfolgen, der über ein Schneckenrad die Veränderung des Volumens der Verbrennungskammer und der Verdichtungsschnecke gleichzeitig bewirkt. Durch das Schneckenrad kann eine ausreichende Übersetzung sichergestellt werden, die es dem Elektromotor ermöglicht, die erheblichen Kräfte in der Verbrennungskammer zu überwinden. Obendrein verhindert das Schneckenprinzip, daß die Kräfte, die von der Verbrennungskammer ausgehen, an den Motor weitergereicht werden können.

Dichtungsprobleme

An mehreren Stellen treten bei dieser Konstruktion Dichtungsfragej auf. Im Bereich der Schnecke liegt eine Zone relativen Niederdruckes vor. Die Verdichtungsdrucke liegen beim Benzinmotor bekanntlich nicht über 10 atü, beim Dieselprinzip, das bei diesem erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor"auch Verwendung finden kann, nicht über 20 atü. Größere Dichtungsprobleme treten hierbei nicht auf, geringere Undichtigkeiten zwischen Rotorflügeln undWellentäisrn sind ohne Belang, solange sie nicht den Druckaufbau beeinträchtigen. Gleitflächenkorrosionen und Reibungsvermehrungen durch Ablagerungen entfallen an dieser Stelle. Im Bereich des Expansio.nsraumes ist die Dichtung gänzlich unproblematisch. Bei den Kolben erübrigt sich wahrscheinlich jegliche Dichtung im engeren Sinne, da die Verbrennungsgase, die siel: zwischen Kolben und Seitenwänden vorbeidrängen könnten, in keinen Schadraum gelangen, da sich auch vor dem Kolben wieder ein Expansionsraum befindet. Obendrein wird die Geschwindigkeit der

j ι, Kriechgasströme zwischen Kolben und Wand des Expansionsraumes unterhalb der des Kolbens selbst bleiben. So muß nur noch der Boden des Expansi.jinsraumes am Ansatz des Kolbe.nrades abgedichtet ; den, was durch zirkuläre Nuten ohne großen Aufwand erfolgen kann.

Die Dichtungen im Bereich des Schwenschiebers sind bereits erörtert worden. Die Brennkammer wird zur Seite der Verdichtungsschnecke ebenfalls durch zwei zirkuläre Nutenringe abgedichtet. Ferner müssen noch zwei lineare Dichtungsstreifen angebracht werden, die radial die Verbrennungskammer begrenzen*

Von dem vorgeschlagenen Rotationskolbenmotor sind insgesamt folgende Vorteile zu erwarten:

Durch die rotierenden Kolben ist ein höherer mechanischer Wirkungsgrad mit einem besseren Drehmoment zu erreichen. Durch Wegfall aller linear beschleunigten und verzögerten Massen ( bis auf den Schwenkschieber, auf dem jedoch nicht die Motorleistung liegt ) wird der Motor vibrationsärmer und geräuschärmer laufen können. Die Trennung der verschiedenen Funktionsräume gewährleistet einen hohen thermischen Nutzungsgrad bei allen Arbeitsbedxngungen und einen idealen Liefergrad bis hin zum Prinzip der Aufladung. Es kommt begün-stigend hinzu, daß der Funktionsraum, in den das Gemisch durch Sog gelangt, der kühlste Teil des Aggregates ist, was zu einer größeren Dichte des Gases und d.h. zu einem höheren Gemischangebot beiträgt. Ferner ist der Vorteil der weitgehenden Auspülung der Abgase aus der Verbrennungskammer zu nennen, der ebenfalls den Wirkungsgrad erhöht und der Umstand, daß die Sin- und Auslaßschlitze von großem Durchmesser sein können und durch Ventile nicht behindert werden, wodurch ein kleinerer Strömungswiderstand erzielt wird. Dank der günstigen Bedingungen des thermomechanischen Stoffwechsels ist auch eine geringere Schadstoff-Emission zu erwarten, da das Ausmaß der Schadstoffe, wie Stickoxyde und Kohlenmonoxyd von der Güte der Verbrennung abhängig ist.

Diese genannten Merkmale werden zwangsläufig auch zu einem günstigen Verbrauch führen. Eine geringere Treibstoffaufnahme ist auch schon durch die erhebliche Gewichtseinsparung zu erwarten. So entfallen bei dem dargestellten Prinzip nicht nur Bauelemente wie Kurbelwelle, Gegengewichte, Pleuelstange und 0e!wanne,' son-

dern auch jene Konstruktionsanteile, die der Steuerung dienen, wie Nockenwelle und Ventile. Dafür weist es allerdings zusätzliche Teile auf, die sich im Hubkolbenmotor nicht finden: Steuerschiene, Schwenkschieber und Steuergestänge.

Der erfindungsgemäße Motor hat gegenüber vergleichbaren Motoren ein beträchtlich geringeres Gewicht und Platzbedarf, die 'je etwa bei.l/k eines gleichstarken Hubraummotors liegen.

Beispiel: Ein Drehkolbenmotor von 4oo ml Nennvolumen je Schnecken· tal, was einem 3j2 1 Hubkolbenmotor entspräche, weist einen Durch messer von etwa 4o cm und eine Tiefe von 2o cm auf. Die Kolben ha ben eine mittlere Länge von 11 cm, der Expansionsraura weist ein Volumen von 670 ml auf. Von wirtschaftlichem Interesse sind die zu erwartenden geringen Fertigungskosten und die hohe Lebensdauer des Motors infolge des geringen Verschleißes der meisten Motoranteile.

Die in diesem ausgestalteten Anwendungsbeispiel axial nebeneinander gesetzten Funktionsräume lassen sich auch in radialer Anordnung verbinden, was eine noch flachere Bauweise ermöglicht.

Claims (3)

acnsprüche ί

1. Rotationskolbenverbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verdichtung und Verbrennung des Brennstoff-Luftgemisches sowie zur Expansion der Yerbrennungsgase getrennte Räume ( 18, 4 19 ) vorgesehen sind, daß zwischen Verdichtungs- und Verbrennungsraum bzw. Verbrennungs- und Expansionsraum periodisch Verbindunger herstellbar sind und, daß der Expansionsraum (19) als ein, die
Abtriebswelle (17) konzentrisch umgebender, mit wenigstens einem Auslaß versehener Ringraum ausgebildet ist, in dem wenigstens ein mit der Abtriebswelle (17) verbundener Kolben (1) gleitet.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Brennstoff-Luftgemisches durch eine von einer Hülse oder einem Gehäuse (7) umgebenen Schnecke (5) erfolgt, in deren

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Schneckentäler (2o) ein Rotor (6), dessen Rotorblätter dem Querschnitt der Schneckentäler entsprechen, derart eingreift, daß die Freigabe, des verdichteten Gemisches in den im Motorgehäuse angeordneten Verbrennungsraum bei Auslaufen des Rotorblattes aus dem jeweiligen Schneckental erfolgt, und daß - in Umlaufrichtung des Rotationskolbens gesahen - hinter der Auslaßöffnung für die expandierten Gase, aber vor der Einlaßöffnung für die expandierten Gase ein in die Gehäusestirnwand versenkbarer, gesteuert in den Ringkanal bewegbarer, eine Begrenzungsfläche des Expansionsraumes bildender Schieber (1) vorgesehen ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Volumen des zu verdichtenden Brennstoff-Luftgemisches durch eine Überströmöffnung ( 8, 11) und entsprechend das Volumen der Verbrennungskammer einstellbar ist.