EP0602272B1

EP0602272B1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: EP0602272B1
Application number: EP19920121562
Authority: EP
Inventors: Walter Müller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-12-18
Filing date: 1992-12-18
Publication date: 1997-04-16
Anticipated expiration: 2012-12-18
Also published as: EP0602272A1; DE59208366D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine, insbesondere auf einen Verbrennungsmotor für flüssige und gasförmige Kraftstoffe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Rotations- oder Drehkolbenmaschinen, die statt Hubkolben nur rotierende Teile haben, sind als Kompressoren und in Form von Verdrängerpumpen, aber auch als Brennkraftmaschinen entwikkelt worden, wobei sowohl die Frischgas-Zufuhr als auch die Abgas-Abfuhr problematisch sein kann. Solche Umlaufkolbenmaschinen haben allgemein innerhalb von Arbeitsraumwänden zwei oder mehr Drehteile, nämlich miteinander in flächigem Wälz-Eingriff stehende Leistungs und Absperrteile, von denen sich meist zumindest einer um eine feststehende Achse ungleichförmig bewegt.
Ein Beispiel ist der bekannte Wankel-Kreiskolbenmotor, der allerdings wegen seiner besonderen Brennraumgestalt und dadurch bedingten langen Brennwegen sowie kalten Wandungen zu recht großem Kraftstoff-Verbrauch neigt und deshalb auch hohe Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoff-Emissionen aufweist. Den Umwelt-Anforderungen eines schadstoffarmen sparsamen Betriebs wird dieser Motor jedenfalls bislang nicht gerecht.
Neuere Drehkolbenmotoren haben wenigstens zwei achsparallele Läufer, die miteinander in der Art einer Zahnradpumpe mit hoher Paßgenauigkeit kämmen. Gasdichte Flächenberührung bleibt jedoch kaum gewährleistet, weil sich Ablagerungen der Verbrennung in die Abrollflächen einwalzen und damit einem dichten Flächenschluß entgegenwirken. Ungünstig ist oft das Verhältnis von Hubraum zu Wandflächengröße. Beim Auftreffen des Kraftstoff/Luft-Gemisch-Ausbrandes auf kalte Flächen kommen weiterhin hohe CO- und HC-Emissionen zustande. Nicht selten unterliegt die Geometrie der Läufer und der zugehörigen Absperrkörper nach dem Stand der Technik einer ganz abstrakten Formgebung, so daß die Fertigung einen extremen technischen Aufwand erfordern würde, der sich wirtschaftlich verbietet. Bei einer Bauform gemäß DE-A 39 05 081 wird der Gaswechsel durch relativ enge Kanäle am Läufer geführt, was äußerst hohe Strömungsgeschwindigkeiten und im Bereich der Mittelachse zusätzliche Turbulenzen zur Folge hat, also ebenfalls nicht ökonomisch sein kann.
Laut DE-A 35 43 944 hat ein dort beschriebener Motor einen im Brennraum um ein ortsfestes Zentrum umlaufenden Drehteil, der an einem zylindrischen Grundkörper zwei oder mehr radiale Vorsprünge aufweist, die in Umfangsausnehmungen wenigstens eines unmittelbar benachbarten Wälzkörpers eingreifen. Größere Drehkolben-Durchmesser könnten zwar höhere Drehmomente ermöglichen, doch würden dann große Umfangsgeschwindigkeiten auftreten. Bei sehr raschen Gaswechselvorgängen würden die Strömungs- und Steuerzeiten für Ventile und Kanäle selbst mit großen Querschnitten zu kurz, um sich technisch noch sinnvoll realisieren zu lassen. Die entstehenden Ladungsdefizite müßten mit fetten Gemischen ausgeglichen und schlechtere Abgaswerte in Kauf genommen werden.
Ein in BE-A-789 962 dargestellter Motor hat in einem Gehäuse einen Motorblock und einen Verdichterblock mit jeweils zwei überlappend nebeneinander angeordneten, zylindrischen Kammern. In den beiden unteren Kammern sind zwei scheibenförmige Kolben auf einer gemeinsamen Welle drehbar gelagert. Sie tragen an ihrem Umfang radiale Vorsprünge, die während der Drehbewegung dichtend an den Zylinderwänden entlanggleiten und in ihnen zugeordnete trichterförmige Umfangsvertiefungen in scheibenförmigen Kolben eingreifen, die in den beiden oberen Kammern auf einer synchron mit der unteren Welle gekoppelten gemeinsamen Welle gelagert sind. In einer Zwischenwand zwischen Motorblock und Verdichterblock ist seitlich ein Einlaß- und ein Auslaßkanal vorgesehen, wobei der Einlaß mit einer Öffnung in der unteren Zylinderkammer des Verdichterblocks mündet und der Auslaß mit einer Öffnung in der unteren Zylinderkammer des Motorblocks ansetzt. In die obere Zylinderkammer des Motorblocks ist im Bereich des Übergangs zur unteren Zylinderkammer seitlich eine Zündkerze eingesetzt. Damit das mit dem Verdichterkolben verdichtete Luft-Kraftstoffgemisch in die Brennkammer des Motorblocks gelangen kann, ist in der Zwischenwand ein Kanal mit Öffnungen vorgesehen. Diese liegen mit ihren schmalen Querschnitten parallel zu den Seitenflanken der trichterförmigen Vertiefungen.
Das für den Betrieb des Motors erforderliche Luft-Kraftstoffgemisch muß von einem externen Vergaser erzeugt und nach der Verdichtung im Verdichterblock über die seitlichen Öffnungen dem Brennraum zugeführt werden. Problematisch dabei ist, daß der von den schmalen Öffnungen gebildete Kanal zwischen den Arbeitsräumen nur einen begrenzten Durchfluß zuläßt und die aufgrund der Drehbewegung der Kolben erforderlichen raschen Gaswechselvorgänge - insbesondere bei hohen Drehzahlen - nur unvollständig erfolgen. Es entstehen Ladungsdefizite, die mit entsprechend fetten Kraftstoffgemischen ausgeglichen werden müssen. Ein sauberer, schadstoffarmer Betrieb des Motors ist nicht gewährleistet. Darüber hinaus wirkt sich das Einströmen des Gasgemischs durch die eng begrenzten Öffnungen negativ auf die Gasverteilung innerhalb der Brennkammer aus und vermindert dementsprechend den Wirkungsgrad der Verbrennung. Die Leistungsfähigkeit des Motors nimmt ab.
Eine in US-A-3 935 840 offenbarte Motoreinheit besitzt einen Verdichterblock und einen Motorblock mit einer gemeinsamen Hauptwelle und zwei Paaren versetzt angeordneter Ventilwellen, die über ein Zahnradgetriebe im Verhältnis 1:2 gekoppelt sind. Beide Einheiten haben zwischen einer äußeren Lagerplatte und einer gemeinsamen inneren Lagerplatte eine zentrale, zylindrische Kammer sowie zwei planetenartig angeordnete, zylindrische Ventilkammern. In dem Motorblock sind seitlich zwei radiale Auslaßöffnungen und in zwei diametral gegenüberliegenden Übergängen von der Zylinderkammer zur Ventilkammer axial zwei Zündungskammern vorgesehen. Diese sind mit einer äußeren Radialbohrung zur Aufnahme einer Zündkerze sowie mit einem radialen Durchlaß zur Zylinderkammer versehen und stehen über axiale Bohrungen in der inneren Lagerplatte und entsprechend angeordnete radiale Bohrungen im Verdichterblock mit dessen Zylinderkammer in Verbindung. An den Seitenflächen des Verdichterblocks befinden sich zwei radiale Kraftstoff-Einlaßöffnungen. Auf der Hauptwelle sitzen zwei Rotoren, die jeweils eine Nabe mit zwei radialen, pilzförmig gewölbten Segmentkolben aufweisen und in den Zylinderkammern entlang den Wandungen glatt abdichtend umlaufen. Auf den Ventilwellen sitzen gekrümmte segmentförmige Ventile mit halbmondförmigem Querschnitt, die in den Ventilkammern und in den Rotor-Ausnehmungen zu den Ventilkammerwandungen und den Rotornaben ebenfalls glatt abdichtend umlaufen. Die Seitenflächen der Rotorkolben und der Ventilsegmente sind konkav ausgebildet, damit diese beim Rotieren in den sich überlappenden Kammern störungsfrei ineinandergreifen können. Bei aufwendiger und komplizierter Formgebung haben die Segmentkolben und Ventilkörper scharfe Eckkanten, die in äußerst geringem Abstand aneinander vorbeigleiten und mit ihren konkaven Seitenflächen exakt ineinandergreifen müssen. Durch das Übersetzungsverhältnis der Wellenkopplung rotieren die unsymmetrisch gestalteten Ventilkörper zudem mit doppelter Drehzahl im Vergleich zu den Segmentkolben, so daß bereits geringste Abweichungen in den Lagerpunktabständen oder Montagefehler zum Blockieren (Fressen) des Motors führen können. Die Fertigung bzw. Montage der Kolben und Gehäuseteile ist daher entsprechend aufwendig und teuer. Im Getriebe sind zusätzliche Auswuchtgewichte für die Ventilkörper erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß beim Abrollen der Ventilkörper auf dem Umfang der Kolbennaben vor den gewölbten Seitenflächen der Segmentkolben Toträume entstehen, in denen sich verbranntes und unverbranntes Gasgemisch ansammeln kann, das über die Ventilkammern in die Brennräume gelangt. Der Wirkungsgrad der Verbrennung wird dadurch drastisch gemindert; eine saubere schadstofffreie Verbrennung ist nicht möglich. Durch die extrem hohen Drehzahlen der Ventilkörper können zudem Probleme beim Gasaustausch entstehen. Dieser erfolgt über radiale Gasein- und -auslässe in die Zylinderkammern, wobei an den seitlichen Öffnungen periphere Mündungserweiterungen erforderlich sind, damit aufgrund der großflächig an den Innenwänden der Zylinderkammern entlangstreichenden Segmentkolben genügend Ein- und Ausströmvolumen den raschen Gasaustausch möglich macht. Das radiale Zuführen des im Verdichterblock verdichteten Gasgemischs über die Öffnungen in den Brennraum macht es ferner erforderlich, im Motorblock zusätzliche Zündungskammern vorzusehen, damit die für die Zündung erforderliche Verdichtung erreicht werden kann. Der fertigungstechnische Aufwand wird weiter durch zusätzliche Leitungen erhöht, welche die Zündungskammern mit dem Brennraum und dem Verdichtungsraum verbinden.
Es besteht mithin ein Bedürfnis nach Abhilfe. Eine Hauptaufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art mit verbessertem Wirkungsgrad. Insbesondere ist es ein wichtiges Ziel, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand einen leistungsfähigen, einfach zu fertigenden Drehkolbenmotor zu schaffen, der möglichst nach dem Baukastenprinzip in verschiedenen Typen herstellbar ist. Durch geeignete Konstruktionsmittel und Funktionsabläufen soll ferner ein ruhiger Motorlauf gesichert sowie der Schadstoff-Ausstoß im Betrieb grundsätzlich niedrig gehalten werden.
Grundgedanken der Erfindung sind im kennzeichneden Teil von Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansrpüche 2 bis 30.
Bei einer Rotationskolbenmaschine, insbesondere einem Drehkolben-Verbrennungsmotor, mit einem Abdeckplatten aufweisenden Gehäuse, mit einem oder zwei Motorblöcken, in denen allgemein zylindrisch begrenzte Arbeitsräume überlappend nebeneinander angeordnet sind, wobei in einem vorzugsweise mittig angeordneten Arbeitsraum auf einer Welle ein Läufer mit radial ausladenden Flügeln, Rippen, Vorsprüngen o.dgl. gelagert ist, die beim Umlauf in ihnen zugeordnete Umfangsausnehmungen von einem Drehkörper oder zwei Drehkörpern eintreten, die in ein oder zwei benachbarten Arbeitsräumen auf Wellen gelagert sind, und mit einem oder zwei axial an den Motorblock anschließenden Verdichterblöcken, in denen gleichartige Flügelläufer mit radial ausladenden Flügeln, Rippen, Vorsprüngen o.dgl. bzw. Drehkörper mit Umfangsausnehmungen auf denselben, gegenläufig synchron gekoppelten, parallelen Wellen in Arbeitsräumen angeordnet sind, wobei die Arbeitsräume der Verdichterblöcke über Strömungskanäle mit den Arbeitsräumen des Motorblocks in Strömungsverbindung stehen, sieht die Erfindung laut Anspruch 1 vor, daß die axiale Breite der Flügelläufer des bzw. jedes Verdichterblocks größer ist als die axiale Breite der Flügelläufer des bzw. jedes Motorblocks, daß der Arbeitsraum des bzw. jedes Verdichterblock-Flügelläufers einen oder zwei Lufteinlässe aufweist und daß ein oder zwei zu dem Arbeitsraum benachbarte Arbeitsräume, in denen Drehkörper des bzw. jedes Verdichterblocks mit schmalem Ringspalt gegensinnig zur Umlaufrichtung des Läufers umlaufen, jeweils eine Kraftstoff-Einspritzdüse aufweisen.
Das Schöpfvolumen des Verdichters ist durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Flügelläufer größer als das Arbeitsvolumen im Motorblock, so daß selbst bei hohen Drehzahlen des Motors stets eine ausreichende Verdichtung sowie ein rascher Gasaustausch im Brennraum des Motorblocks erreicht wird. An der Rückseite der Verdichterflügel wird über den Lufteinlaß reine Frischluft in die Verdichterkammer gesaugt und in Umlaufrichtung verdichtet. Während des Verdichtungsvorgangs der Luft gelangt der Kraftstoff separat über die Einspritzdüsen in den benachbarten Arbeitsraum. Er wird von dem Drehkörper in dem schmalen Ringspalt aufbereitet und schließlich beim Austreten in die angrenzende Arbeitskammer des Verdichterläufers zerstäubt. Der dabei auftretende Druckabfall ist gering und wird durch das erhöhte Verdichtungsverhältnis vollständig ausgeglichen. Ein Vergaser für die Kraftstoffaufbereitung ist nicht erforderlich.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Vergrößerung des Schöpfvolumens im Verdichter eine Erweiterung des Querschnitts der Strömungskanäle zwischen den Arbeitsräumen von Verdichter- und Motorblock möglich ist, ohne daß ein Druckabfall zum Brennraum hin auftritt. Selbst bei hohen Drehzahlen des Motors ist damit stets ein ausreichender Durchfluß gewährleistet, der die erforderlichen raschen Gaswechselvorgänge ohne Ladungsdefizite ermöglicht. Die separate Zuführung des Kraftstoffs über die Einspritzdüsen und die mechanische Aufbereitung durch die Drehkörper gewährleistet ferner eine exakte Dosierung des Luft-Kraftstoffgemischs. Der Kraftstoff wird über kalte Wände zugeführt und anschließend vernebelt, was eine Selbstzündung ausschließt. Es lassen sich nahezu alle Kraftstoffe verdichten und mit hohem Lade- bzw. Liefergrad unter exakter Kraftstoff-Luft-Dosierung in die Brennräume des Motorblocks bringen, wo eine optimale schadstoffarme Verbrennung stattfinden kann.
Gemäß Anspruch 2 ist der Lufteinlaß in zumindest einem zwischen benachbarten Arbeitsräumen des Verdichters gebildeten Zwickel angeordnet, also dort, wo sich die Arbeitsräume überlappen. An dieser Stelle ist die Frischluft-Zufuhr konstruktiv gut unterzubringen und zugleich strömungsgünstig in den Verdichter-Umlauf einzuspeisen.
In vergleichbarer Weise sieht Anspruch 3 vor, daß in einem zwischen benachbarten Arbeitsräumen des Motorblocks gebildeten Zwickel jeweils eine Zündeinrichtung und dieser gegenüber ein Strömungs-Auslaß angeordnet ist. Dies gewährleistet eine günstige Raumausnutzung und beste Betriebsbedingungen mit jeweils gegenüberliegend-symmetrisch verlaufenden Drehkolbenhüben.
Laut Anspruch 4 enden die Verbindungskanäle in den Seitenkanalplatten jeweils mit Öffnungen im Bereich der Arbeitsräume des Motorblocks und mit Öffnungen im Bereich der Arbeitsräume des Verdichterblocks. Dadurch lassen sich auf kurzen Strömungswegen relativ große Strömungsquerschnitte realisieren. Der Gasaustausch geht ohne übermäßige Geschwindigkeiten zügig vonstatten.
Gemäß Anspruch 5 sind die Flügel, Rippen, Vorsprünge o.dgl. im Querschnitt kleiner als die zugeordneten Umfangsausnehmungen, so daß sie beim Umlauf daran zumindest im wesentlichen berührungslos vorbeigehen. Der Übertritt der Flügel erfolgt daher in den Drehkörpern bzw. Steuerwalzen ganz reibungsarm, was den Wirkungsgrad verbessert und überdies erlaubt, auf eine optimale Paßgenauigkeit der Flügel in diesem Bereich zu verzichten. Das ist eine wesentliche Vereinfachung für den Motor und seine Fertigung; dadurch wird insbesondere eine Vollkeramik-Ausführung ermöglicht.
Die wichtige Ausgestaltung von Anspruch 6 sieht vor, daß der bzw. jeder Flügel des Verdichter-Läufers dem bzw. jedem Flügel des Motor-Läufers in Umlaufrichtung voreilt. Dadurch ist sichergestellt, daß der Verdichtungsvorgang kurz vor dem infolgedessen mit hohem Druck erfolgenden Laden in die Brennräume abgeschlossen ist.
Der Motorblock kann nach Anspruch 7 unter Zwischenschaltung je einer gemeinsamen Seitenkanalplatte axial zwischen zwei Verdichterblöcken sitzten, vorzugsweise mit jeweils einer ein- oder zweiteiligen Abdichtungsscheibe dazwischen. Derart gebildete Baueinheiten sind außerordentlich kompakt und thermodynamisch sehr vorteilhaft. Dazu trägt es bei, wenn laut Anspruch 8 der bzw. jeder Verdichterblock zwischen einem an eine Abdeckplatte anschließenden Lagerteil und der dem Motorblock benachbarten Seitenkanalplatte axial dicht gehalten ist.
Nach der Weiterbildung von Anspruch 9 sind die Gehäuseteile platten- oder scheibenförmig ausgebildet und durch Verschraubungen satt aneinander anliegend, jedoch lösbar zusammengehalten. Das ist eine für Fertigung wie Montage sehr vorteilhafte Sandwich-Bauweise und außerdem servicefreundlich, weil der Motor im Wartungs- oder Reparaturfall verhältnismäßig leicht auseinandergenommen und wieder zusammengesetzt werden kann.
Bei der Ausgestaltung von Anspruch 10 sind in dem bzw. jedem Seitenkanalteil quer zu den Wellen verlaufende Kanäle vorhanden, die insbesondere verdichterseitig oder nahe den Einströmöffnungen zum Motorblock Rückschlagventile aufweisen. Diese Seitenkanäle können laut Anspruch 11 über Axialkanäle entlang oder in den Drehkörper-Wellen miteinander strömungsverbunden sein. Dabei ist es günstig, wenn die Seiten- und die Axialkanäle zusammen nach Anspruch 12 ein Volumen haben, das bei gegebenem Verdichtungs-Verhältnis (z.B. 10:1) dem effektiven Verdichtungsvolumen im Läufer-Arbeitsraum entspricht. Zumindest die Axialkanäle können ferner gemäß Anspruch 13 mit einem feder- oder gasbelasteten Ladedruckspeicher strömungsverbunden oder -verbindbar sein. Man erkennt, daß auf diese Weise mit sehr einfachen Mitteln nicht nur eine ebenso zweckmäßige wie zuverlässige Gasführung erreicht, sondern auch ein Druckabfall während des kurzen Ladevorganges verhindert wird. Infolgedessen lassen sich Einströmgeschwindigkeiten erzielen, die erheblich über den Durchbrenngeschwindigkeiten liegen. Motoren mit dieser Einrichtung, bevorzugt in Keramik-Ausführung, können daher auch mit Wasserstoff-Verbrennung ohne Fehlzündungen arbeiten.
Konstruktiv ist es günstig, wenn in dem Motorblock bzw. in den Verdichterblöcken gemäß Anspruch 14 jeweils drei zylindrisch begrenzte Arbeitsräume überlappend nebeneinander vorgesehen sind, jeweils mit einem mittig angeordneten Arbeitsraum.
In der bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 15 sind in dem Motorblock bzw. in den Verdichterblöcken zwei Flügelläufern jeweils zwei benachbarte, achsparallele Drehkörper symmetrisch-fluchtend zugeordnet, wobei diese diese je zwei einander gegenüberliegende Brenn- und Verdichterkammern begrenzen, welche pro Wellenumlauf zweimal von den Flügeln überstrichen und daher in symmetrischen Hüben doppelt genutzt werden. Anteilig ist also der Hubraum des Motors pro Umdrehung verdoppelt, und entsprechend sind die Brennraum-Kaltflächen effektiv halbiert, während die Verdichter-Eingänge und die Einströmkanäle in den Brennraum relativ groß bleiben. Daher teilt sich das Hubraum-Volumen funktionell in acht kleine Portionen auf, die eingangs- und auslaßseitig mit mäßig hohen Geschwindigkeiten strömen.
Nach Anspruch 16 sind zur Kraftstoff-Versorgung je Motorblock zwei Paare von Einspritzdüsen vorhanden, wobei vorzugsweise am Umfang des bzw. jedes Verdichters zwei Einspritzdüsen einander gegenüberliegen. Damit läßt sich zündträges Benzin, zündfreudiges Dieselöl oder auch irgendein hochviskoser Kraftstoff gleichermaßen gut einbringen und vernebeln. Die Beladung der Brennräume erfolgt pro Umdrehung zweimal über vier Einström-Öffnungen, also in acht kleinen Gasportionen innerhalb sehr kurzer,im Millisekunden-Bereich liegender Zeiten und daher mit noch beherrschbaren Einströmgeschwindigkeiten. Die gegenüberliegende Anordnung der Einströmöffnungen hat den Vorteil, daß sich die beiden Gemischströme in der Brennraum-Mitte treffen und dadurch gut verwirbeln. Die Zündung kann im Dauerfunkenbetrieb erfolgen, wodurch ein aufwendiges Zündsystem eingespart wird.
Die Gestaltung nach Anspruch 17 ist eine einfachere Baumform eines Motors ohne außenliegenden Verdichter, wobei in einem Zwickel zwischen Arbeitsräumen des Flügelläufers und eines ersten Drehkörpers eine Zündeinrichtung und in weiteren Zwickeln nahe dem Arbeitsraum eines zweiten Drehkörpers einander gegenüber Strömungs-Ein- und -Auslässe vorhanden sind. Verdichter und Brennkammern sind nebeneinander angeordnet, während sich Verdichterhubund Verbrennungshub-Anfangspunkte gegenüberliegen. Über die Kraftstoff-Einspritzdüse am Motorblock ist hierbei auch die Berührungsstelle zwischen Läufer und Drehkörper gut schmierbar.
Günstig ist die Konstruktion von Anspruch 18, wonach der Arbeitsraum des Läufers im Querschnitt oval und in dem Läufer ein Flügel achsparallel verschieblich angeordnet ist, dem zwei Drehkörper mit jeweils paarweise verschiedenen Umfangsausnehmungen zugeordnet sind, welche die Flügelenden beim Umlauf berühren. Durch ihren im Vergleich zur Brennkammer größeren Radius erreicht die Verdichterkammer einen angemessen großen Liefergrad ohne Verkürzung des Arbeitshubes. An den unterschiedlichen Kammer-Übergängen werden die Drehkörper bzw. Steuerwalzen so geführt, daß sie den Läufer verschieben und auf der Umlaufbahn führen. Dazu kann der auslaßseitig angeordnete zweite Drehkörper gemäß Anspruch 19 tiefere Umfangsausnehmungen haben als der erste Drehkörper. Mit Vorteil läßt sich diese Anordnung bei genügend großem Verdichtervolumen als Saugmotor mit Vergaser betreiben, wobei die Einspritzdüse durch einen Vergaser am Einlaß ersetzt wird.
In der Ausführungsform von Anspruch 20 ist dem Flügelläufer eine Steuerscheibe mit zwei einander gegenüberliegenden Ventilbohrungen zugeordnet, die in bezug auf die Flügel-Enden des Läufers z.B. um 30° bis 35° winkelversetzt sind und beim Umlauf nacheinander in Strömungsverbindung mit Einström-Öffnung des Motorblocks gelangen. Die Ventilbohrungen können zu Langlöchern erweitert werden, um den Ladevorgang zu optimieren, den die Steuerscheibe vorgibt.
Gemäß Anspruch 21 kann dem Läufer wenigstens eine koaxiale Steuerscheibe mit zu den Läufer-Flügeln winkelversetzten Verdichter-Flügeln zugeordnet sein, wobei die bzw. jede koaxiale Steuerscheibe laut Anspruch 22 in den Brennkammern angeordnet, insbesondere in die benachbarte Seitenplatte eingelassen ist.
Für alle Bauformen gilt, daß daß die Läufer der Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 23 als Walzenkörper ausgebildet sein können, die gemäß Anspruch 24 mit den Wellen und/oder mit den Flügeln, Rippen, Vorsprüngen o.dgl. einstückig sind. Das ist fertigungstechnisch gut beherrschbar und festigkeitsmäßig überaus günstig.
Bei allen Bauformen ist es ferner möglich, gemäß Anspruch 25 an den Flügeln bzw. an deren Enden zur Wandung des zugeordneten Arbeitsraums hin lippenlose Dichtungen oder Dichtlippen vorzusehen.
Eine wichtige Ausgestaltung der Erfindung sieht gemäß Anspruch 26 vor, die Läufer, die Drehkörper und/oder die Arbeitsräume aus hochhitzebeständigem Material wie Keramik bestehen oder damit überzogen bzw. verkleidet sind. Auch eine Vollkeramik-Ausführung ist möglich. Die Isolier-Eigenschaften bieten zahlreiche Vorteile, namentlich niedrigere Wärmeverluste, hohe Betriebstemperaturen des Motors im Bereich von 300 °C bis 400 °C mit verbesserter Verbrennung des Kraftstoffes an heißen Innenraumflächen, geringen Verschleiß, mithin weitgehende Wartungsfreiheit usw.
Die bevorzugt aus hitzebeständigem Stahl bestehende Welle des Flügelläufers ist nach Anspruch 27 in Radialrichtung elastisch abgestützt, namentlich laut Anspruch 28 durch Sternauflager an oder in einem federnden Schnellstahl-Lager einer benachbarten Abdeckplatte, gegebenenfalls unter Verwendung von radialen Dehnungsausgleichs-Elementen. Diese Maßnahmen sorgen zugleich für verbesserte Wärmeisolierung und für hohe Maßhaltigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen.
Bei der Ausführung gemäß Anspruch 29 ist die Welle des Flügelläufers zumindest im Motorblock gasgelagert, z.B. mittels in einem Schmierkanal in der Welle herangeführtem Verdichtungs- oder Brenngas. Dies ist vor allem für die Keramik-Ausführung vorteilhaft, um im Motor-Inneren auch solche Stellen zu schmieren, die herkömmlich mit Schmieröl versorgt werden, was jedoch bei Innentemperaturen bis zu 400 °C kaum oder nicht möglich ist.
Unterschiedliche Gemische, vor allem auch Schwachgase, können verarbeitet werden, wenn gemäß Anspruch 30 Strömungsverbindungen zwischen Seitenkanälen nicht vorhanden oder durch Absperrorgane verschließbar sind. Dies ermöglicht es, beispielsweise fette und magere Gemische nach dem an sich bekannten Schichtladungsverfahren alternierend einzubringen und nach Initialzündung mit hohem Wirkungsgrad sauber zu verbrennen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

Fig. 1: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Motorblock,
Fig. 1a: einen Ausschnitt entsprechend Fig. 1, jedoch in abgewandelter Bauform mit einem Druckspeicher,
Fig. 2: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Verdichterblock,
Fig. 3a und 3b: je eine Seitenansicht einer Seitenkanalplatte,
Fig. 4: eine Axialschnittansicht mit einem Verdichter zwischen zwei Motorblöcken,
Fig. 5: eine Schrägansicht eines Motorläufers,
Fig. 6: eine Schrägansicht eines Drehkörpers bzw. einer Steuerwalze,
Fig. 7: eine Teildraufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine Verdichter-Einspritz-Anordnung,
Fig. 8: eine Draufsicht auf einen Flügel-Läufer zwischen zwei Drehkörpern,
Fig. 9: eine Draufsicht auf einen Flügel-Läufer mit einem Drehkörper,
Fig. 10: eine Querschnittsansicht einer Wellenlagerung,
Fig. 11: eine Schrägansicht eines elastischen Lagerelements,
Fig. 12: eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, entsprechend der Anordnung von Fig. 10,
Fig. 13: eine Draufsicht auf einen Motorblock mit Keramikauskleidung,
Fig. 14: eine Schrägansicht einer Seitenplatte mit Keramikverkleidung,
Fig. 15: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen kombinierten Motor-Verdichter-Block,
Fig. 16: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine im Vergleich zu Fig. 15 etwas abgewandelte Bauform,
Fig. 17: eine Axialschnittansicht entsprechend der Linie XVII-XVII in Fig. 15,
Fig. 18: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine abgewandelte Motor-Verdichter-Kombination,
Fig. 19: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Motorblock mit Scheibensteuerung,
Fig. 20: eine Teildraufsicht auf eine Steuerscheibe,
Fig. 20a: eine Schrägansicht einer abgewandelten Läufer-Bauform mit zwei Steuerscheiben,
Fig. 21: eine Axialschnittansicht zu Fig. 19,
Fig. 22: eine auseinandergezogene Schrägansicht der Bestandteile der Anordnung von Fig. 19 bzw. Fig. 21,
Fig. 23: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf eine vereinfachte Motor-Verdichter-Kombination,
Fig. 24: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Motorblock einer 1-Flügel-Läuferanordnung mit Steuerwalze,
Fig. 25: eine Draufsicht, teilweise im Schnitt, auf einen Verdichterblock zum Motor nach Fig. 24,
Fig. 26: eine Draufsicht auf einen Motorläufer für lippenlose Dichtungen und
Fig. 27: eine verkleinerte Draufsicht auf eine Flügelanordnung mit Dichtlippe.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Motorblock, der allgemein die Form einer rechteckigen Scheibe von bestimmter Dicke hat. Er ist - dort mit M gekennzeichnet - Bestandteil eines (nicht dargestellten) Gehäuses G, zu dem ein Verdichterblock V gehört (Fig. 2).
Im Motorblock 1 ist ein Flügelläufer 4 mittig angeordnet, der mit einer Welle 54 starr verbunden oder einstückig ist. Radiale Vorsprünge oder Flügel 18 sind als gerundete Nasen ausgebildet und kämmen berührungslos mit Aussparungen 30 am Umfang zweier benachbarter Drehkörper 6. Der Flügelläufer 4 sitzt in einem Arbeitsraum 7, der im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und an den beiderseits überlappend Arbeitsräume 8 für die Drehkörper 6 anschließen. Letztere sind mit Wellen 55 starr verbunden oder einstückig.
In dem am Übergang zwischen den Arbeitsräumen 7, 8 gebildeten Zwickel 13 sitzt auf einer Seite jeweils eine Zündkerze 14, der gegenüber ein Auslaß 15 ebenenversetzt angeordnet ist. Axialkanäle 10 neben je einem Drehkörper 6 stehen in Strömungsverbindung mit je einer Einström-Öffnung 12 nahe den zündkerzenseitigen Zwickeln 13.
Der Motorblock 1 ist ferner mit einer Anzahl von Kühlbohrungen 22 und mit Bohrungen 23 für eine Verschraubung vorgesehen, welche auch den Verdichterblock V bzw. 2 (Fig. 2) durchsetzen. In diesem sitzt mittig ein Verdichter-Läufer 5 mit Flügeln 19 in einer Kammer 27, welche dem Arbeitsraum 7 im Motorblock 1 entspricht. Sie ist ebenfalls zylindrisch ausgebildet und überlappt sich mit zylindrischen Arbeitsräumen 28 für zwei Drehkörper 21, wobei wiederum Zwickel 74 gebildet sind. An diesen befindet sich jeweils ein Einlaß 16 zum Arbeitsraum 27.
Die darin in Umlaufrichtung U rotierenden Flügel 19 tauchen jeweils in Aussparungen 30 am Umfang der Drehkörper 31. In der Längsmitte führen Einspritzdüsen 17 zum Umfang der Arbeitsräume 28, in denen die Drehkörper 21 mit schmalem Ringspalt 39 gegensinnig zur Umlaufrichtung U rotieren.
Der Teilausschnitt gemäß Fig. 1a zeigt die Anordnung eines federbelasteten Druckspeichers 3, der bei einem Ladedruck von z.B. 10 bis 12 bar einen Druckabfall während des sehr kurzen Ladevorganges verhindert. Damit wird sichergestellt, daß die Einströmgeschwindigkeit des Brennstoff/Luft-Gemisches (oder sonstiger Antriebsgase) größer ist als die Durchbrenngeschwindigkeit, beispielsweise bei ca. 10 bar etwa dreimal höher als diese. Der Druckspeicher 3 ermöglicht es, bei optimaler Ausführung des Motors ihn mit Wasserstoff, d.h. als Knallgasmotor zu betreiben.
Der Motorblock M, 1 kann sich zwischen zwei Verdichterblöcken V,2 unter Zwischenschaltung je einer Seitenkanalplatte 62 befinden, wobei die axiale Breite der Flügelläufer 5 des Verdichterblocks V größer ist als die axiale Breite der Flügelläufer 4 des Motorblocks M. Außen schließen an die Verdichterblöcke V, 2 jeweils eine Lagerplatte 63 und eine Abdeckplatte 64 an. Nahe den Ecken halten Verschraubungen 23 das Block-Scheiben-Paket des Gehäuses G zusammen. Ein Getriebe mit gleichgroßen Zahnrädern 24, 25, 26 innerhalb der Abdeckplatten 64 sorgt dafür, daß die Wellen 55 gegenläufig synchron zur zentralen Welle 54 umlaufen. In der zentralen Welle 54 kann zumindest ein Kanal 59 vorhanden sein, um Schmiermittel von einem benachbarten Verdichter V, 2 ins Innere des Motorblocks M, 1 zu bringen.
Die den Motorblock M, 1 beiderseits begrenzenden Platten 62 enthalten jeweils Seitenkanäle 20, die zwecks Druckausgleich durch einen Axialkanal 10 miteinander verbunden sind, wenn nicht eine Unterbrechnung durch ein (nicht sichtbares) Absperrorgan 11 gewünscht ist. Rückschlagventile 9 sperren den Rückweg aus dem Motorblock M, 1 zu den Verdichterblöcken V, 2 hin. Die Ansichten in Fig. 3a und 3b zeigen den Verlauf der Seitenkanäle 20 mit je zwei Anschlüssen einerseits zum Axialkanal 10 und andererseits zu Verdichter-Eingängen 53 sowie zu den Einström-Öffnungen 12, d.h. an Ladekanäle zur Brennkammer K.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 befindet sich ein zentraler Verdichterblock V, 2 zwischen zwei Motorblöcken M, 1. An jeden Block schließt beiderseits eine Abdichtplatte 61 mit Dichtungen 33 an, welche an den Wellen 55 der Drehkörper 6 bzw. 21 anliegen. Auch die Läuferwelle 54 ist durch (nicht gekennzeichnete) O-Ring-Dichtungen an jedem der Blöcke 1, 2 zu den Abdichtplatten 61 hin abgedichtet. Kupplungen 32 können vorgesehen sein, um einzelne Baueinheiten baukastenmäßig aneinander anzuschließen und dabei die Drehverbindung der einzelnen Wellenabschnitte herzustellen. Der zentrale Doppelverdichter V, 2 hat Einlässe 16, die als Luftansaug-Schlitze ausgebildet sein können. Am Übergang zu den Seitenkanälen 20 befinden sich wiederum Rückschlagventile 9, und zwischen den Seitenkanälen 20 können Querkanäle 10 einen Druckausgleich herstellen. Am Umfang des Verdichterblocks V, 2 sind ferner einander diametral gegenüber Paare von Einspritzdüsen 17 sowie ein zentraler Schmiernippel 31 angeordnet.
Einen vorteilhaften Aufbau der Läufer 5, 6 zeigen die Fig. 5 und 6. Dabei ist sowohl der Motorläufer 5 mit seinen Flügeln 18 und der Welle 54 einstückig als auch der Verdichterläufer 6 mit der Welle 55. Beide Wellen 54, 55 können zwecks guter Lagerung passend gestuft sein. Geeignete Gestaltungen der Flügel 18 und der zugeordneten Umfangsausnehmungen 30 gehen aus Fig. 8 und 9 mit unterschiedlicher Bemessung hervor.
Die mechanische Kraftstoff-Versorgung ist in Fig. 7 beispielhaft dargestellt. Man erkennt, daß die Einspritzdüse 17 zum Umfang der Arbeitskammer 8 führt, in welcher der Drehkörper 21 umläuft. Ein Segment oder Druckstück 37 ist mittels einer Stellschraube in dem Maße verstellbar, wie es für den eventuellen Einsatz hochviskoser Kraftstoffe notwendig oder zweckmäßig ist. Am Zwickel 13 kann je nach Bauform eine (hier nicht gezeichnete) Zündkerze angeordnet sein. Ihr gegenüber können sich Hilfsbohrungen 41 befinden (links in Fig. 7), welche die Arbeitsräume 7, 8 in Zwickelnähe direkt verbinden und daher das Einspritzen von verdichtetem Gemisch in Form eines Nebels 40 der Verdichtungsphase ermöglichen.
Zur Funktions-Erläuterung werden im folgenden Brennkammern, die von den Flügeln 18 im Arbeitsraum 7 gebildet werden, mit K1, K2 bezeichnet; zur Unterscheidung der beiden Flügel 18 tragen diese die Buchstaben P, Q (Fig. 1). Entsprechende Verdichterkammern L1, L2 werden durch die Einzelflügel R, S des Verdichterläufers 5 in den Verdichterkammern 27 gebildet.
Beim Umlauf in Richtung U bewegt sich der Flügel P durch die Kammer K1 und bewirkt dadurch einen ersten Hub. Er tritt dann in die eine Ausnehmung 30 am Umfang des Drehkörpers 6 und wechselt so berührungslos in die Kammer K2, womit der zweite Hub des Flügels P beginnt. In Fig. 1 ist die Phase dargestellt, wo der Einzelflügel Q die eben beschriebene Position erreicht hat. Er vollführt pro Umlauf ebenfalls nacheinander zwei Hübe, nämlich jeweils bis zu einer Kontaktstelle 59 zwischen den Walzen 4, 6.
Entsprechende Doppelhübe führen die Flügel 19 des Verdichter-Läufers 5 aus, der zu dem Motor-Flügelläufer 4 voreilend winkelversetzt ist. In der Verdichterkammer L1 bewegt sich der Flügel R bis zum Eintauchen in die Umfangsausnehmung 30 des zugeordneten Drehkörpers 21, von wo er in die Verdichterkammer L2 eintritt, während sich der Verdichterflügel S gleichzeitig aus der Kammer L2 in die Verdichterkammer L1 vorbewegt. Der Verdichtungsvorgang ist jeweils kurz vor dem Laden der Brennkammern K1, K2 über die Einström-Öffnungen 12 (Fig. 1 und 3) bereits abgeschlossen.
Während jeder Umdrehung finden mithin 4 Arbeits-Verbrennunghübe (je 2 pro Flügel), 4 Abgas-Ausschubhübe sowie 4 Restabgas-Spülhübe, 4 Frischluft-Ansaughübe und 4 Verdichtungshübe statt. Während der Arbeitshübe der Flügel P und Q spülen diese mit ihrer Vorderseite die restlichen Abgase des jeweils vorherigen Verbrennungshubes über die Auslässe 15 aus. Zur gleichen Zeit wird im Verdichterblock V, 2 Frischluft an der Rückseite der Flügel R und S angesaugt und an deren Vorderseite verdichtet. Nach einer halben Umdrehung wiederholen sich diese Vorgänge in den jeweils anderen Segmentkammern.
Die effektive Verdoppelung des Hubraumes hat zur Folge, daß die benötigten Segmentflächen entsprechend klein sein können. Das Verhältnis von Oberfläche zu Hubraum ist erfindungsgemäß außerordentlich günstig; die geringe Kaltwand-Flächenberührung der Brenngase macht es möglich, die Schadstoff-Emissionswerte erheblich zu verringern. Dazu trägt es bei, daß die Verbrennung auf kurzen Wegen sehr schnell abläuft. Weil die beiden Brennkammern K1, K2 in einem Block M, 1 zusammengelegt sind, ist überdies eine gleichmäßige Erwärmung gewährleistet. Für die Vollkeramik-Bauweise ist es überaus wichtig, den Motorblock M, 1 durch die Verdichterblöcke V, 2 einzukapseln, so daß in thermodynamisch sehr vorteilhafter Weise für gleichmäßige Wärmeverteilung gesorgt ist.
Durch zwei ebenenversetzt gegenüberliegende Einström-Öffnungen 12 wird jeweils eine Brennkammer K1 bzw. K2 geladen, und zwar zwangsgesteuert von den Drehkörpern 6 und deren Umfangsausnehmungen 30. Daher treffen zwei Gemischströme etwa in Brennraum-Mitte zusammen, was zu intensiver Verwirbelung führt. Gleichzeitige Zündung über die bevorzugt mit Dauerfunkenbetrieb arbeitenden Doppelzündkerzen 14 bewirkt dann schnellen, sauberen Gemisch-Durchbrand, wobei pro Umdrehung viermal Arbeit an die Flügel 18 des Motorläufers 4 übertragen wird. Der volle Energiegehalt kommt dem Liefergrad eines Ottomotor-Zylinders zumindest gleich, er liegt im Regelfalle aber darüber, nämlich bei 1 = 100 %. Wichtig ist, daß im Leerlauf des Motors jede Bremswirkung durch Arbeits-Abgabe wegfällt, was optimal schadstoffarmen Ausbrand zur Folge hat. Bei Einsatz des Motors in Verkehrsmitteln ist dies z.B. für den Stadtverkehr mit vielen Stillstandszeiten eine bedeutsam vorteilhafte Eigenschaft.
Zu erwähnen ist, daß die durch Flügelhöhe und Flügelbreite bestimmte Größe der Schub- und Saugflächen nicht auf die in der Zeichnung dargestellten Maßverhältnisse beschränkt ist. Wo eine rechteckig-gestreckte Form an sich ungünstig wäre, läßt sich durch Anwendung des üblichen Schichtladungs-Verfahrens mit unterschiedlichen Gemischen, die in der Brennkammer vereinigt werden, ein guter Verbrennungs-Ausgleich erzielen. Beim Ottomotor hingegen ist eine Schichtladung nur mit hohem Aufwand realisierbar.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Motors beruht auf dem Synchronantrieb der Wellen 54, 55 durch gleichartige Zahnräder 24, 25, 26 (Fig. 3). Infolge des Durchmesser-Unterschiedes an der Kontaktstelle 59 ist die Umfangsgeschwindigkeit der Drehkörper bzw. Steuerwalzen 6 größer als diejenige des Motorläufers 4, so daß im Berührungspunkt 59 ein Reibeffekt auftritt, durch den mögliche Ablagerungen und Verbrennungs-Rückstände fortlaufend beseitigt werden. Entstehender Abrieb wird mit den Abgasen durch die Auslässe 15 ausgeblasen. Zu beachten ist, daß an der Kontaktstell 59 eine hohe Dichtigkeit gewährleistet ist, weil sich der Verbrennungsdruck gegen den Umlaufsinn der beiden Walzen 4, 6 richtet. In Fig. 1 ist dies durch Pfeile angedeutet. Im Verdichter V, 2 kann der Bewegungsspalt 39 (Fig. 3, 13, 15) für hochviskose Kraftstoffe am Segment 37 (Fig. 18) nachgestellt werden. Genügend Dichtigkeit besteht für Benzin oder Dieselöl bereits mit dem normalen Bewegungsspiel von 0,01 mm bis 0,02 mm zwischen Drehkörper 6 und Arbeitsraum 8.
Fig. 10 zeigt einen Querschnitt durch einen Vollkeramik-Läufer 4 mit Dehnungsausgleichs-Elementen 36, welche bei sehr hohen Temperaturen auftretende Spannungen abfangen. Die Läuferwelle 54 ist aus hitzebeständigem Stahl. Dank einer sehr schmalen Berührungsstelle wird wenig Wärme vom Läufer 4 zur Welle 54 übertragen. Hohlräume in den Dehnungsausgleichs-Elementen 36 (Fig. 11) können zur Kühlung verwendet werden, beispielsweise mit einem Luftkreislauf. Fig. 12 zeigt eine Seitenansicht des Vollkeramik-Läufers 4 mit teilweisem Schnitt entsprechend der Linie XII-XII in Fig. 10.
Keramische Verkleidungen, die zum Spannungsausgleich auch mehrmals geteilt sein können, sind in Fig. 13 und 14 mit Kreuzschraffur dargestellt. Die benutzte Keramik kann armiert sein, z.B. mit Welldraht oder Karbonfasern. An Fügeflächen können Trennelemente 49 vorgesehen sein. Eine Seitenauskleidung oder - bei zweiteiliger Ausführung - zwei Seitenauskleidungen 51, 52 sind zweckmäßig in den Abdichtungsscheiben 61 vorgesehen (Fig. 14). Zur äußeren Begrenzung im Gehäuse hin sind zweckmäßig Luftzwischenräume 47 vorhanden, zwischen denen sich Auflagebereiche 46 befinden.
In Fig. 15 ist ein vereinfachter Motorblock M, 1 dargestellt, wobei der Läufer 4 pro Wellenumdrehung nur je zwei Hübe bewirkt. Außenliegende Verdichterblöcke sind nicht vorhanden; vielmehr schließt im Motorblock-Inneren an eine Brennkammer K eine Verdichterkammer L an. Am Auslaß 15 ist eine Erweiterung 44 vorgesehen, durch die der Hub in der Brennkammer K funktionsmäßig verkürzt wird. So ist ein angemessenes Verhältnis zur Verdichterstrecke gewahrt, beispielsweise mit einem Hub über einen Winkel von 100°, wogegen dem Arbeits-Verbrennungshub etwa 80° zugeordnet sind. Kraftstoff wird über die Einspritzdüse 17 zugeführt, entlang des Ringspaltes 39 aufbereitet und anschließend zerstäubt, wie in Fig. 7 gezeigt. Auch hier erfolgt die Zündung mittels einer Dauerfunken-Zündkerze 14. Weil sich bei diesem System Verdichterhub- und Verbrennungshub-Anfangspunkte gegenüber liegen, gibt es keine nachteiligen gegenseitigen Einflüsse. Gelangt Frischluft oder Gasgemisch - bedingt durch einen Schlupf zwischen den rotierenden Elementen 4, 6 - in die Brennkammer K, so werden sie mitverbrannt. Falls umgekehrt unverbrannte Gase in die Verdichterkammer L gedrückt werden sollten, erfolgt eine Nachverdichtung mit anschließender Verbrennung. Das erzeugte Drehmoment wird nacheinander einmal auf den Flügel P und dann auf den Flügel Q übertragen. Trotz nur einseitiger Kraftübertragung wird auch hier der Brennraum K doppelt genutzt.
Dies schließt nicht aus, daß man nach Bedarf zusätzlich einen Verdichter außen anflanscht, so daß der Motor M,1 mit einer zweistufigen Ladeeinrichtung versehen ist, wobei der Ausgang des zusätzlichen Laders an den Luft-Ansaugeinlaß angeschlossen wird. Selbst bei niedrigem Luftdruck, z. B. im Gebirge, erzielt man so hohe Motorleistungen. Dank des höheren Ladedrucks kommen ferner erhöhte Drehzahlen in Betracht, wodurch eventuell an der Berührungsstelle 59 auftretende Schlupf-Gasverluste kompensiert werden.
Eine weitere Abwandlung ist in Fig. 16 gezeigt. Dabei hat die Arbeitshub-Verbrennungskammer K einen kleineren Radius als die Verdichterkammer L, was ohne Verkürzung des Arbeitshubes einen angemessenen Liefergrad ergibt. Der starre Läuferflügel 75 reicht über den gesamten Durchmesser des Arbeitsraumes 7. Zwischen dessen (links und rechts) unterschiedlichen Radien sind oval verlaufende Rückführkurven 58 vorgesehen, über die der Läuferflügel 75 von den Drehkörpern bzw. Steuerwalzen 6, 76 geführt und aufgenommen wird. Bei genügend großem Volumen der Verdichterkammer L kann diese Anordnung als Saugmotor mit Vergaser betrieben werden.
Eine Schnittansicht entsprechend der Linie XVII-XVII in Fig. 15 ist aus Fig. 17 ersichtlich. Man erkennt, daß Ein- und Auslaß 16 bzw. 15 in einer Ebene liegen; Doppelzündkerzen sind mit 14 bezeichnet. Zwei Einspritzdüsen 17 sind für das erwähnte Schichtladungsverfahren verwendbar. Rückschlagventile 9 zwischen den Seitenkanälen 20 und dem Querkanal 10 sind schematisiert als Kugelventile eingezeichnet.
Ein Motor gemäß Fig. 18 ist für drei Arbeitshübe vorgesehen. Sein Flügelläufer 65 hat drei Flügel 18, die den Umlaufraum in drei Kammern teilen, nämlich in die Brennkammer K und zwei Verdichterkammern L1, L2. Zwischen dem Einlaß 16 und dem Auslaß 15 ist in Umlaufrichtung U eine verhältnismäßig lange Strecke bzw. ein großer Winkelbereich vorhanden, so daß die vor den Einzelflügeln P, Q, R ausgeschobene Restabgasmenge des Spülhubes nur zu kleinsten Anteilen mit der Frischluft angesaugt werden kann. Wenn - wie gezeichnet - der Flügelläufer 65 und der Drehkörper 6 verhältnismäßig große Durchmesser haben, ist eine niedrigere Drehzahl erwünscht, um die Umfangsgeschwindigkeiten angemessen niedrig zu halten. Dazu dient ein Getriebe mit zwei Steuerzahnrädern 66 auf den Wellen 54 bzw. 55 und zwei getrennt gelagerten Zwischenzahnrädern 67, die miteinander und mit je einem der Steuerzahnräder 66 kämmen. Man sieht, daß diese Untersetzung den Drehsinn der Walzen 65, 6 nicht ändert, so daß diese synchron und gegensinnig unter Berührung an der Kontaktstelle 59 umlaufen.
Bei der in Fig. 19 bis 22 dargestellten Bauform wird der Brennraum-Ladevorgang mittels Steuerscheiben 69 vorteilhaft gesteuert. Die axiale Lage der Steuerscheiben 69 auf der hier als Keilwelle ausgebildeten Läuferwelle 54 geht aus Fig. 21 hervor. Ventilbohrungen 71 sind zum Langloch ausgestaltet (Fig. 20), um den Ladevorgang optimal anzupassen. Das Rückschlagventil 9 sitzt in einem äußeren Stichkanal nahe dem einen Zwickel 13, welcher der Doppelzündkerze 14 gegenüberliegt. Die hier mit 56, 57 bezeichneten Flügel-Enden begrenzen wiederum die Arbeitshübe in der Brennkammer K und in der Verdichterkammer L.
Die koaxialen Steuerscheiben 69 können in die Brennkammern K1, K2 verlegt, d.h. in die Seitenplatte(n) 62 eingelassen und auf den Motor-Flügelläufer 4 aufgeschraubt oder mit ihm einstückig sein (Fig. 20a). Ihre Stirn- und Umfangsflächen können die Luft- bzw. Gaslagerung des Flügelläufers 4 übernehmen, was auch bei der Stahlausführung vorteilhaft ist, um den Ladedruck-Schlupf zu mindern. Der Abstand B zwischen den Steuerscheiben 69 bestimmt die genaue Breite des bzw. jedes Drehkörpers 21. Für hohe Drehzahlen ist es vorteilhaft, wenn die Gegenbohrungen zu den Einström-Öffnungen 12 länglich gestaltet sind, so daß je Ladevorgang genügend viel Gasvolumen einströmen kann.
In schematisch auseinandergezogener Darstellung zeigt Fig. 22 die linke Hälfte des Motors von Fig. 21. Stellvertretend veranschaulicht diese Zeichnung zugleich den Aufbau der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine auch bei anderen Bauformen. Man erkennt, daß die ganze Einheit aus verhältnismäßig wenigen Bauteilen besteht, die dank platten- bzw. scheibenförmiger Gestalt kostengünstig zu fertigen und zu montieren sind.
Eine weitere kombinierte Bauform ist in Fig. 23 gezeigt. Die hier außermittig angeordnete Läuferwelle 54 trägt einen Läufer 4 mit zwei Einzelflügeln P, Q zur Begrenzung einer Brennkammer K und einer Verdichterkammer L. Letztere ist wiederum größer, indem vom Einlaß 16 ein verhältnismäßig langer Bogen bis zum Auslaß 15 führt, dessen hochgezogene Anordnung den Verbrennungshub verkürzt. Diese Maßnahme dient dazu, einen Liefergrad nahe 1 zu erreichen, d.h. ein gutes Ladeverhältnis. Ein solcher Motor eignet sich gut für Geräte wie Rasenmäher, Kleinfahrzeuge usw.
Bei der in Fig. 24 und 25 veranschaulichten Bauform hat der Motorläufer 4 nur einen Flügel 18, der in nur eine Ausnehmung 30 des Drehkörpers 6 eintaucht. Es ergibt sich ein Brennweg auf einem Bogen von beispielsweise 280°, so daß langflammige Kraftstoffe wie Kohlenstaub oder Kohlenstaubpaste zu bevorzugen sind, um einen hohen Liefergrad (weit über 1) zu erzielen. Der im Zwickel gegenüber der Zündkerze 14 befindliche Auslaß ermöglicht das direkte und störungsfreie Ausblasen der anfallenden Verbrennungs-Rückstände (Asche). Fig. 25 zeigt den Verdichterblock V, 2 mit solcher Stellung des Verdichterläufers 5 und des Drehkörpers 21, daß der Flügel 19 sich gerade in der zugehörigen Ausnehmung 30 befindet. Man erkennt ferner, daß die Bauform nach Fig. 24 und 25 sich auf einfache Weise leicht zu einem Dampfmotor oder Hydraulikmotor abwandeln läßt.
Die schematische Darstellung von Fig. 26 stellt eine Wirbelsperre in Form einer Abdichtung 72 ohne Dichtlippen dar, die für einen Keramikmotor vorteilhaft ist, wobei eine dynamische Strömung einen Sperreffekt erzeugt. Eine solche Wirbelsperre kann ohne Dichtlippen (Fig. 26) für einen Keramikmotor und mit Dichtlippe 73 (Fig. 27) für eine Stahlausführung verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, zumal sie die unterschiedlichsten Varianten und Kombinationen zuläßt. Man erkennt aber, daß eine Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung allgemein wenige, plattenförmige Bauteile und innerhalb des Gehäuses G einen bevorzugt zwischen zwei Verdichterblöcken V, 2 gekapselten Motorblock M, 1 hat. Auf Wellen 54, 55 gelagerte gleichartige Flügelläufer 4, 5 kämmen mit dazu achsparallelen Drehkörpern 6, 21 berührungslos derart, daß einander diametral gegenüberliegende Arbeitsräume 7; 8 sowie Ein- und Auslässe 12; 15, 16 pro Umlauf z.B. zweimal von den Flügeln 18; 19 überstrichen werden; dann sind bei faktischer Hubraum-Verdoppelung die Brennraum-Kaltflächen anteilig halbiert sowie die vier Einund Auslaßöffnungen ebenfalls faktisch verdoppelt und so die Strömungsgeschwindigkeiten entsprechend gesenkt. Kurze, breite Verbindungswege 10, 20 bewirken guten Gasaustausch mit mäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit. Während jeder Motorwellen-Umdrehung erfolgen zwei symmetrischgegenüberliegende Verbrennungshübe (= vier Arbeitshübe), somit je vier Auspuff-, Spül-, Ansaug- und Verdichtungshübe. Die Konstruktion erlaubt Vollkeramik-Bauweise und Typenvielfalt.

Bezugszeichen-Liste

A: Axialrichtung
B: Breite
G: Gehäuse
K1, K2: Brennkammern
L1, L2: Verdichterkammern
M: Motorblock
P, Q, R, S: Flügel
U: Umlaufrichtung
V: Verdichterblock

1: Motorblock
2: Verdichterblock
3: Druckspeicher
4: Motor-Flügelläufer
5: Verdichter-Flügelläufer
6: Drehkörper
7: Arbeitsraum (für 4)
8: Arbeitsraum (für 6)
9: Rückschlagventil
10: Axialkanal
11: Absperrorgan
12: Einströmöffnung
13: Zwickel
14: Zündkerze
15: Auslaß
16: Einlaß
17: Einspritzdüsen
18: Motor-Flügel
19: Verdichter-Läuferflügel
20: Seitenkanal
21: Drehkörper
22: Kühlbohrungen
23: Verschraubung
24,25,26: Zahnräder
27,28: Verdichter-Arbeitsräume
29: Kanal
30: Umfangsausnehmungen
31: Zentral-Schmiernippel
32: Kupplung
33: Dichtungen
34: Sternauflager

36: Dehnungsausgleichs-Elemente
37: Segment/Druckstück
38: Stellschraube
39: Ring-Spalt
40: Kraftstoff-Sprühnebel
41: Hilfsbohrungen
42: Ausnehmung
43: Steuerwalzen-Aussparung
44: Erweiterung
46: Auflagebereiche
47: Luftzwischenräume
48: Steuerwalzen
49: Trennelement
50: Einström-Öffnung
51, 52: Seitenauskleidungen
53: Verdichter-Eingänge
54: Welle (von 4)
55: Welle (von 6)
56, 57: Flügel-Enden
58: Rückführkurve
59: Kontakt-/Berührungsstelle
60: Abdichtung
61: Abdichtungsscheiben
62: Seitenkanalplatten
63: Lagerplatten
64: Abdeckplatten
65: Dreiflügelläufer
66: Steuerzahnräder
67: Zwischenzahnräder
68: Verdichterhub-Einsatzpunkt
69: Steuerscheiben
70: Motorflügel
71: Ventilbohrungen
72, 73: Abdichtungen mit/ohne Dichtlippen
74: Zwickel
75: Läuferflügel
76: untere Steuerwalze
77: Ausnehmung
78: Arbeitsraum (von 76)

Claims

Rotationskolbenmaschine, insbesondere Drehkolben-Verbrennungsmotor, mit einem Abdeckplatten (64) aufweisenden Gehäuse (G), mit einem oder zwei Motorblöcken (M), in denen allgemein zylindrisch begrenzte Arbeitsräume (7, 8) überlappend nebeneinander angeordnet sind, wobei in einem vorzugsweise mittig angeordneten Arbeitsraum (7) auf einer Welle (54) ein Läufer (4) mit radial ausladenden Flügeln (18), Rippen, Vorsprüngen o.dgl. gelagert ist, die beim Umlauf in ihnen zugeordnete Umfangsausnehmungen (30) von einem Drehkörper oder zwei Drehkörpern (6) eintreten, die in ein oder zwei benachbarten Arbeitsräumen (8) auf Wellen (55) gelagert sind, und mit einem oder zwei axial an den Motorblock (M) anschließenden Verdichterblöcken (V), in denen gleichartige Flügelläufer (5) mit radial ausladenden Flügeln (19), Rippen, Vorsprüngen o.dgl. bzw. Drehkörper (21) mit Umfangsausnehmungen (30) auf denselben, gegenläufig synchron gekoppelten, parallelen Wellen (54, 55) in Arbeitsräumen (27, 28) angeordnet sind, wobei die Arbeitsräume (27, 28) der Verdichterblöcke (V) über Strömungskanäle (20) mit den Arbeitsräumen (7, 8) des Motorblocks (M) in Strömungsverbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Breite der Flügelläufer (5) des bzw. jedes Verdichterblocks (V) größer ist als die axiale Breite der Flügelläufer (4) des bzw. jedes Motorblocks (M), daß der Arbeitsraum (27) des bzw. jedes Verdichterblock-Flügelläufers (5) einen oder zwei Lufteinlässe (16) aufweist und daß ein oder zwei zu dem Arbeitsraum (27) benachbarte Arbeitsräume (28), in denen Drehkörper (21) des bzw. jedes Verdichterblocks (V) mit schmalem Ringspalt (39) gegensinnig zur Umlaufrichtung (U) des Läufers (5) umlaufen, jeweils eine Kraftstoff-Einspritzdüse (17) aufweisen.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lufteinlaß (16) in zumindest einem zwischen benachbarten Arbeitsräumen (27, 28) des Verdichters (V) gebildeten Zwickel (74) angeordnet ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem zwischen benachbarten Arbeitsräumen (7, 8) des Motorblocks (M) gebildeten Zwickel (13) jeweils eine Zündeinrichtung (14) und dieser gegenüber ein Strömungs-Auslaß (15) angeordnet ist (Fig. 1 und 13).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungskanäle (20) in den Seitenkanalplatten (62) mit Öffnungen (12) im Bereich der Arbeitsräume (8) des Motorblocks (M) und mit Öffnungen (53) im Bereich der Arbeitsräume (27) des Verdichterblocks (V) enden.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (18, 19), Rippen, Vorsprünge o.dgl. im Querschnitt kleiner als die zugeordneten Umfangsausnehmungen (30) sind und beim Umlauf daran zumindest im wesentlichen berührungslos vorbeigehen (Fig. 8 und 9).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Flügel (19) des Verdichter-Läufers (5) dem bzw. jedem Flügel (18) des Motor-Läufers (4) in Umlaufrichtung (U) voreilt (Fig. 2 und 1).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorblock (M) unter Zwischenschaltung je einer gemeinsamen Seitenkanalplatte (62) axial zwischen zwei Verdichterblöcken (V) sitzt, vorzugsweise mit jeweils einer ein- oder zweiteiligen Abdichtungsscheibe (61) dazwischen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Verdichterblock (V) zwischen einem an eine Abdeckplatte (64) anschließenden Lagerteil (63) und der dem Motorblock (M) benachbarten Seitenkanalplatte (62) axial dicht gehalten ist (Fig. 4).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (M, V, 62, 63, 64) platten- oder scheibenförmig ausgebildet und durch Verschraubungen (23) satt aneinander anliegend, jedoch lösbar zusammengehalten sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem bzw. jedem Seitenkanalteil (62) vorhandenen Kanäle (20) quer zu den Wellen (54, 55) verlaufen und insbesondere verdichterseitig oder nahe den Einströmöffnungen (12) zum Motorblock (M) Rückschlagventile (21) aufweisen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzechnet, daß die Kanäle (20) über Axialkanäle (10) entlang oder in den Drehkörper-Wellen (55) miteinander in Strömungsverbindung stehen.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten- und die Axialkanäle (20 bzw. 10) zusammen ein Volumen haben, das bei gegebenem Verdichtungs-Verhältnis (z.B. 10:1) dem effektiven Verdichtungsvolumen im Läufer-Arbeitsraum (7) entspricht.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Axialkanäle (10) mit einem feder- oder gasbelasteten Ladedruckspeicher (3) strömungsverbunden oder -verbindbar sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Motorblock (M) bzw. in den Verdichterblöcken (V) jeweils drei zylindrisch begrenzte Arbeitsräume (7, 8, 27, 28) überlappend nebeneinander vorgesehen sind, mit jeweils einem mittig angeordneten Arbeitsraum (7, 27).
Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Motorblock (M) bzw. in den Verdichterblöcken (V) zwei Flügelläufern (4, 5) jeweils zwei benachbarte, achsparallele Drehkörper (6, 21) symmetrischfluchtend zugeordnet sind und daß diese je zwei einander gegenüberliegende Brenn- und Verdichterkammern (K1, K2; L1, L2) begrenzen, welche pro Wellenumlauf zweimal von den Flügeln (18, 19) überstrichen und daher in symmetrischen Hüben doppelt genutzt werden.
Maschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kraftstoff-Versorgung je Motorblock (M) zwei Paare von Einspritzdüsen (17) vorhanden sind, wobei vorzugsweise am Umfang des bzw. jedes Verdichters (V) zwei Einspritzdüsen (17) einander gegenüberliegen (Fig. 4).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Zwickel (13) zwischen Arbeitsräumen (7, 8) des Flügelläufers (4) und eines ersten Drehkörpers (6) eine Zündeinrichtung (14) und in weiteren Zwickeln (74) nahe dem Arbeitsraum (78) eines zweiten Drehkörpers (76) einander gegenüber Strömungs-Ein- und -Auslässe (16, 15) vorhanden sind (Fig. 15).
Maschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum (7) des Läufers (4) im Querschnitt oval und in dem Läufer (4) ein Flügel (75) achsparallel verschieblich angeordnet ist, dem zwei Drehkörper (6, 76) mit jeweils paarweise verschiedenen Umfangsausnehmungen (30, 77) zugeordnet sind, welche die Flügel-Enden (56, 57) beim Umlauf berühren (Fig. 16).
Maschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der auslaßseitig angeordnete zweite Drehkörper (76) tiefere Umfangsausnehmungen (77) hat als der erste Drehkörper (6).
Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Flügelläufer (4) eine Steuerscheibe (69) mit zwei einander gegenüberliegenden Ventilbohrungen (71) zugeordnet ist, die in bezug auf die Flügel-Enden (56, 57) des Läufers (4) z.B. um 30° bis 35° winkelversetzt sind und beim Umlauf nacheinander in Strömungsverbindung mit Einström-Öffnung (12) des Motorblocks (M, 1) gelangen (Fig. 19 bis 21).
Maschine nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß dem Läufer (4) wenigstens eine koaxiale Steuerscheibe (69) mit zu den Läufer-Flügeln (18) winkelversetzten Verdichter-Flügeln (57) zugeordnet ist (Fig. 23).
Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. jede koaxiale Steuerscheibe (69) in den Brennkammern (K1, K2) angeordnet, insbesondere in die benachbarte Seitenplatte (62) eingelassen ist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer (4, 6, 76) als Walzenkörper ausgebildet sind (Fig. 5 und 6).
Maschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Walzenkörper (4, 6, 76) mit den Wellen (54, 55) und/oder mit den Flügeln (18, 19), Rippen, Vorsprüngen o.dgl. einstückig sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (18, 19) bzw. deren Enden (56, 57) zur Wandung des zugeordneten Arbeitsraums (7 bzw. 8) hin mit lippenlosen Dichtungen (72) oder mit Dichtlippen (73) versehen sind (Fig. 26 und 27).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Läufer (4, 5), die Drehkörper (6, 21) und/oder die Arbeitsräume (7, 8, 27, 28) aus hochhitzebeständigem Material wie Keramik bestehen oder damit überzogen bzw. verkleidet sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die bevorzugt aus hitzebeständigem Stahl bestehende Welle (54) des Flügelläufers (4) in Radialrichtung elastisch abgestützt ist.
Maschine nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß zur Radialabstützung der Läufer-Welle (54) Sternauflager (34) an oder in einem federnden Schnellstahl-Lager einer benachbarten Abdeckplatte (64) vorgesehen sind, namentlich mit radialen Dehnungsausgleichs-Elementen (36, Fig. 11 und 12).
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (54) des Flügelläufers (4) zumindest im Motorblock (M) gasgelagert ist, z.B. mittels in einem Schmierkanal (29, Fig. 11 und 12) in der Welle (54) herangeführtem Verdichtungs- oder Brenngas.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß Strömungsverbindungen zwischen Seitenkanälen (20) nicht vorhanden oder durch Absperrorgane (11) verschließbar sind.