EP1339952B1 - Drehkolben-verbrennungsmotor - Google Patents

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EP1339952B1
EP1339952B1 EP01993746A EP01993746A EP1339952B1 EP 1339952 B1 EP1339952 B1 EP 1339952B1 EP 01993746 A EP01993746 A EP 01993746A EP 01993746 A EP01993746 A EP 01993746A EP 1339952 B1 EP1339952 B1 EP 1339952B1
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EP
European Patent Office
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working
wheel
air
internal combustion
combustion engine
Prior art date
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EP01993746A
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EP1339952A1 (de
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Hubert Winterpacht
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Individual
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Publication of EP1339952B1 publication Critical patent/EP1339952B1/de
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/006Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of dissimilar working principle
    • F01C11/008Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of dissimilar working principle and of complementary function, e.g. internal combustion engine with supercharger
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/14Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons
    • F01C1/20Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with toothed rotary pistons with dissimilar tooth forms
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/06Heating; Cooling; Heat insulation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B53/00Internal-combustion aspects of rotary-piston or oscillating-piston engines
    • F02B2053/005Wankel engines

Definitions

  • the invention relates to a rotary piston internal combustion engine.
  • the Invention a rotary piston internal combustion engine with a housing, at least a work wheel rotatable about an axis of rotation in the housing, at least a working piston provided on the working wheel for suction and compression of air or a fuel-air mixture and for the implementation of the Combustion of a fuel-air mixture resulting gas pressure in mechanical Energy, at least one counter wheel with at least one working piston recess, a number of rotatably drivable first air blades for the pre-compression of air or a fuel-air mixture and at least one combustion chamber Combustion of a fuel-air mixture.
  • axis of rotation around which the The working wheel and the piston or pistons rotate, not one physically trained axis (such is hereinafter referred to as “shaft”), but understood the physical line through the center of the rotary motion becomes.
  • Internal combustion engines are based on the type of movement of the working piston, that is of the moving part caused by the combustion of a fuel-air mixture emerging gas pressure is pushed away in reciprocating engines and Differentiated rotary lobe motors.
  • rotary piston internal combustion engines come without translational moved pistons and connecting rods, and the piston or pistons move in the Operation on a circular path always in the same direction so that it doesn't like Pistons are continuously braked and accelerated in the opposite direction have to.
  • the best-known representative of the type of rotary piston internal combustion engine is the Wankel engine named after its inventor.
  • a piston rotates on the Wankel engine with a triangular cross section in a specially shaped cylinder. Due to sealing problems and the resulting high fuel consumption the engine was not able to assert itself despite the design-related advantages.
  • a rotary lobe internal combustion engine is known from German Offenlegungsschrift 29 31 943 A1 known in which rotatably mounted in a housing Working wheel two working pistons are arranged, the working wheel in its Broken area near the axis of rotation and by means of attached webs as Fan wheel is formed so that the work wheel is advantageously cooled from the inside.
  • the combustion of the fuel-air mixture takes place in one with this engine separate combustion chamber, which leads to a complex construction of the engine.
  • a rotary piston internal combustion engine is known from German published patent application 31 31 258 A1 known with a work wheel and a compression wheel that are arranged on a common shaft.
  • the compression wheel carries several Compression piston for compressing a fuel-air mixture, which is then in a combustion chamber formed between the compression wheel and the impeller is pressed where the ignition takes place. From the combustion chamber, the Combustion gases are fed to the working wheel, where they act on the working pistons can. Inlet and outlet into the combustion chamber take place via a relatively complex Valve control. In addition, the cooling of the working wheel and the working pistons is problematic with this engine.
  • a rotary piston internal combustion engine which has a housing, at least one work wheel rotatable in the housing about an axis of rotation, at least one working piston provided on the working wheel for compressing Air or a fuel-air mixture and for the implementation of the combustion a gas-pressure mixture resulting in gas pressure into mechanical energy, at least one counter wheel with at least one working piston recess, a number of rotatable first air blades for pre-compression of air or one Fuel-air mixture and at least one combustion chamber for the combustion of a Has fuel-air mixture, wherein the at least one combustion chamber in operation continuously newly formed between the working piston, working wheel, counter wheel and housing will and form the first air blades like spokes part of the working wheel and in operation the fuel-air mixture or the air substantially parallel to Suction the axis of rotation of the work wheel through the work wheel.
  • the invention has a number of advantages. So the one sucked through the work wheel cools gaseous medium, which will usually be air, which it but it can also be a fuel-air mixture, the working wheel from the inside.
  • gaseous medium which will usually be air, which it but it can also be a fuel-air mixture, the working wheel from the inside.
  • the working piston or pistons act twice in each case: when they approach the counter wheel move, compress the air that is already pre-compressed, if necessary already formed fuel-air mixture, after passing through the corresponding working piston recess in the counter wheel they act as "movable Wall "of the combustion chamber caused by the gas pressure generated during combustion is pushed away.
  • the work wheel with the air blades and one or more working pistons even performs three functions: pre-compacting, compacting, working.
  • the output takes place in the center of the Work wheel arranged output shaft, the axis of rotation of which is then identical to that Rotation axis of the work wheel is.
  • the first air blades can then be advantageous attack directly or indirectly (via a gearbox) on the output shaft and so that of mechanical energy absorbed by the piston or pistons on the output shaft transmitted from where it is then forwarded in a manner known per se and e.g. to the Drive of a vehicle can be used.
  • a gearbox so that of mechanical energy absorbed by the piston or pistons on the output shaft transmitted from where it is then forwarded in a manner known per se and e.g. to the Drive of a vehicle can be used.
  • an output shaft the axis of rotation of which is not coincides with the axis of rotation of the working piston.
  • the drive of the Output shaft then e.g. over a sprocket provided on the work wheel take place, which drives the output shaft directly or indirectly.
  • a number of second air blades that can be driven in rotation can be provided for further pre-compression of air or a fuel-air mixture his.
  • These second air blades can be part of a ring gear like a spoke and also attack the output shaft.
  • These spoke-like blades have then a profile that rotates as in the usual compressor stages of a turbine causes a compression of the conveyed medium about the axis of rotation.
  • the ring gear with the second air blades firmly connected to the work wheel. If such a ring gear is provided, it can this ring gear with the second air blades with one at least partially complementary ring gear on the counter gear in meshing engagement. To this This results in a reliable positive control of the counter wheel.
  • the work wheel can move over the ring gear be set. Because the engine is actively filled in the combustion chamber area and none Has suction function, can via a rotation caused by the starter Working wheel the first filling to start the engine.
  • a reservoir can be used to hold the working piston in operation compressed gaseous medium (air or fuel-air mixture) when Passage of the working piston through the counter wheel
  • the Reservoir e.g. semi-cylindrical or toroidal and part of the housing or can be a separate component attached to the housing.
  • the counter gear can Openings and corresponding valves have, in particular, spring elements or can be hydraulically controlled. That from a working piston at the Movement of the gaseous medium compressed on the counter wheel is converted into one in the counter wheel formed, serving as a reservoir and pressed after passage of the piston left out again.
  • the rotary piston internal combustion engine at least two arranged on a common work wheel Has working pistons
  • the inlet and the outlet are open at the same time, which enables purge air to lead through the inlet into the space between the two neighboring ones Working piston, the housing and the working wheel is formed. This may still be Exhaust gases present in the room are reliably pushed out.
  • purge air it can be advantageous for the first and possibly the second air scoop sucked in gaseous medium, the medium being this In this case, of course, it is not about a fuel-air mixture, but about air should act.
  • the fuel or a fuel-air mixture then becomes later added, in particular by means of one arranged after the counter wheel Injector.
  • the compressor stage which is formed by the first and second air blades, is in a preferred embodiment, an exhaust gas turbocharger connected downstream of the ambient air drawn in can also compress.
  • This exhaust gas turbocharger can be designed as a so-called soft turbocharger that continuously with the Speed increasing boost pressure generated.
  • the working pistons can be designed as a solid component, they are preferred provided with cooling. In one configuration, this cooling can be performed by a Charge air cooling takes place, which is the ambient air drawn in by the compressor stage cools.
  • Another preferred embodiment has active piston cooling, at which the first air blades are arranged centrally below the working piston, wherein the working pistons have a U-shaped cooling channel.
  • This cooling channel is In terms of flow technology, one end is arranged in front of the compressor stage Intake side and with the opposite end with that behind the compressor stage arranged pressure side connected. Due to the pressure drop along the In this embodiment, the compressor axis will have an air flow through it Form cooling channel. This is a simple and efficient cooling of the Working piston guaranteed.
  • the work wheel can also drive the counter wheel via other drive means.
  • This can be, for example, a drive chain which, in the manner of a timing chain conventional reciprocating engines in the ring gear of the work wheel with the complementary ring gear of the counter wheel instead of an immediate toothing combines.
  • the only important thing here is the correct interpretation of the Translation ratio, since it must be guaranteed at all times that the Engage the working piston in the working piston recess, which is due to this required speed ratio is realized.
  • FIG. 1 to 3 show a rotary piston internal combustion engine in which in a working wheel 2 with a housing 1 provided with a plurality of cooling fins is rotatably mounted.
  • the working wheel carries four working pistons 3, which are in operation continuously on a counter wheel 4 run to and away from this, with a 4 in the counter gear Working piston recess 5 is provided so that the working piston 3 with the Combing counter gear 4 in the manner of gears.
  • the working pistons 3 engage in the working piston recess 5, which is designed so that there is a rolling of the front and outer edge of the piston on the inner contour of the working piston recess results.
  • Counter wheel 4 which is arranged such that the outer running surface of the counter wheel 4 and the working wheel 2 each roll on each other, so here the counter wheel 4 rotates clockwise while the work wheel 2 rotates counterclockwise.
  • This combustion chamber is limited by the inner facing the counter wheel 4 Side of the working piston 3, part of the tread of the counter wheel 4 and the inner wall of the working wheel 2 and the wall of the housing 1.
  • This housing 1 is designed on its side facing the work wheel 2 so that there is a fine tread like a cylinder liner for the Piston 3 results.
  • the housing 1 either in the be processed according to the quality or have a standard, which in the Housing 1 is used and the required type of cylinder liner Offers surface quality and tread.
  • the housing 1 or the standard of the Housing 1 offer a receptacle for the counter wheel 4, which also has a tread for the largely gas-tight system of the counter wheel 4 on the side wall of the Housing 1 offers. Under the counter wheel 4, a reservoir 12 is arranged, the Operation will be described below.
  • an advance outlet and an inlet 13 for the Purge air and an outlet 14 for a mixture of exhaust gas and purge air When viewed in the direction of rotation, an advance outlet and an inlet 13 for the Purge air and an outlet 14 for a mixture of exhaust gas and purge air. Further in Seen in the direction of rotation is an air inlet or an inlet for a fuel-air mixture provided on the for the renewed combustion process compressing gas can be sucked.
  • the work wheel 2 consists essentially of a pulley-like Construction shown in section in the figures.
  • the working piston 3 are arranged equidistantly, which here from flat webs are formed, the annular channel of the working wheel 2 in here divide four segments.
  • the inner wall of the housing 1 or a standard of the housing 1 results in a closed space in each case Shape of a toroidal segment with a rectangular cross section, which is caused by the rotation of the Working wheel 2 is moved around the axis of rotation.
  • the Specification does not preclude that through inlet or outlet openings a gas exchange with the outside can take place.
  • the work wheel 2 has first air blades 6, so that it inner area is designed in the manner of a turbine wheel. These air blades 6 are with their outer ends with the groove-shaped outer area and with inner Ends connected to an inner hub.
  • the first air blades 6 are preferred arranged concentrically and symmetrically to the axis of rotation R. About in the case of used first air blades 6 and their position relative to medium flowing through the compression ratio, that is behind the Working wheel in the housing prevailing pressure can be set.
  • the operation of the first air blades is best shown in FIG. 2 and 3 too detect.
  • the air from the left side of the housing 1 passes through the rotation of the drive wheel 2 sucked air through an inner Flow channel flows through.
  • the air drawn in and compressed in this way collects in an air collection container (not shown here), which is fluidically connected an air inlet of the housing 1 into the channel of the working wheel 2 near the combustion chamber connected is.
  • compressed air can be provided without the need for additional components for compression.
  • the motor has a second compressor stage which is operated by a Gear ring 10 is formed, which is placed on the shaft holding the drive wheel 2 is.
  • This ring gear 10 actually has the function of driving the counter wheel 4 and similar to the drive wheel 2, has an inner area which is connected to the second Air blades 9 is provided and can be flowed through by gaseous medium.
  • FIG. 1 to 3 shown embodiment is only a principle Representation of a single cylinder, but is already fully functional.
  • Prefers However, several work wheels are used, both on a common Output shaft 8 as well as be arranged side by side on several shafts can. In this way, multi-row or multi-stage motors with one Multiple combustion chambers possible.
  • a motor can also be formed, which has two combustion chambers per working wheel 2.
  • the only important thing here is The fact that behind the counter gear 4, the functional areas described here for Expulsion and flushing of the combustion residues and in front of the counter wheel 4 Precautions for filling with ambient air and compressing the Combustion air are provided.
  • Behind the counter wheel 4 is one Injection nozzle arranged, for example, diesel fuel or kerosene can be injected into the combustion chamber.
  • FIG. 4 shows that Working wheel 2 in a position in the pre-compressed ambient air in the later Combustion chamber, i.e. has entered the groove of the work wheel 2.
  • This gas volume which is under increased pressure relative to the ambient pressure, becomes now by further rotation of the work wheel 2 in the direction of the counter wheel 4 transported and by further collision of the working piston 3 on the counter wheel 4 increasingly reduced in size.
  • the compression of the Gas volume on so that in a preferred embodiment, for example builds up a pressure of approx. 40 bar due to a compression ratio of 1:20.
  • the side Pressure reservoir opened so that the compressed medium is in this reservoir can flow in easier relaxation.
  • this torus segment fills with the while relaxing compressed medium, which now have a pressure of 30 bar, for example can.
  • a further rotation of the work wheel 2 by a few angular degrees causes Moving the lateral inlet opening away from the outlet of the pressure reservoir 12, that the torus segment completely to form a closed combustion chamber is closed.
  • Ignition device can already be ignited provided the enclosed medium is a fuel-air mixture.
  • a diesel engine is preferred
  • Direct injection used there is an injection nozzle behind the counter wheel 4 provided, for example in FIG. 1 is shown. In the case of direct injection in the case shown, the gasoline becomes tangential along the surface of the counter wheel 4 injected.
  • the shape of the side walls and the Bottom of the groove-shaped channel according to the flow requirements be modified. So it is possible, for example, that instead of here shown planes on surfaces of counter wheel 4 and groove base of drive wheel 2 a slightly spherical configuration of the counter wheel 4 and a corresponding one negative shape of the groove base of the drive wheel 2 is selected. Also the Injection angle relative to the two directions perpendicular to the axis of rotation R des Drive wheel 2 can be modified depending on the requirement to a possible to guarantee 100 percent and therefore low-pollution combustion.
  • the drive wheel 2 is rotated further, so that initially a side pollutant outlet comes into flow contact with the combustion chamber. hereby
  • the first exhaust gases already escape, which are the usual exhaust gas cleaning and exhaust systems can be supplied.
  • a further rotation of the work wheel 2 causes the chamber volume possibly still filled with residual gases is congruent with a Inlet 13 is brought to which a pressurized ambient air volume is created. When the chamber comes into contact with flow, this inlet 13 flows Ambient air then enters the chamber and can pass through an outlet 14 below Exit the gas residues to flush them out completely.
  • the working pistons 3 are designed with their outer contour so that in the upper Area is a large expansion, which is an automatic seal with the inner running surface of the housing 1 results. Additional sealants such as Piston rings in the case of a reciprocating piston engine are not required.
  • the work wheel 2 is mounted in the housing 1 via slide bearing 11.
  • the pre-compressed gaseous media can be compressed by the work wheel itself.
  • the work wheel has one within the toroidal work area Design according to the shape of a turbine wheel.
  • This turbine wheel is made by first air blades 6 are formed, which suck ambient air from the environment and provide compressed in a chamber volume.
  • a second compressor stage can be provided which additionally compresses the air, the chamber volume is both with the purge air inlet 13 and with the inlet connected for the gaseous medium to be compressed.
  • the gaseous medium is under a pressure of, for example 2.5 bar relative to the environment. This causes a quick and safe inflow of the Ambient air into the respective volumes of the annular body without being long Opening times of the valves would be required.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of a single-engine with only one drive wheel 2 and a counter wheel 4.
  • FIG. 11 shows an expansion of the engine with two Drive wheels 2, which use a common counter wheel 4 for building the function.
  • FIG. 12 shows a star-shaped structure of a three-barrel motor, which also uses a common counter gear. This structure is particularly advantageous because the Compensate for the axial load on the bearing of the counter wheel 4. In in this case, the bending stress on the bearing of the counter wheel 4 is minimized, which has positive effects on both wear and bearing losses Has.
  • a common Rotation shaft also several drive wheels can be arranged one behind the other, so that there is a multi-stage motor with several drive wheels 2, which by one common axis of rotation R are rotatably mounted.
  • each of the Drive wheels 2 interact with a counter wheel 4, but it is also possible that instead of several counter wheels 4 a roller-like configuration of the Counter wheel 4 is used, this one counter wheel 4 then used with all Driving wheels works together.
  • the latter configuration is of course only possible when the angular position of the working piston 3 for all drive wheels 2 each is identical.
  • a rotation of the drive wheels 2 relative to one another leads to a rounder running of the engine and so the higher effort for storage justify the different counter wheels 4.
  • FIG. 13, 14 and 15 show a multi-row engine like the one above has been described. All drive wheels are flowed through and point one turbine wheel each.
  • the one available behind the turbine wheel Overpressure can either be directly to the respective openings of the drive wheels be guided or behind the turbine wheel stack in a common reservoir be directed from where it can be fed from the corresponding openings.
  • FIG. 18 shows the housing without the drive wheel 2, so that the reservoir 12 and the opposite exhaust gas discharge can be seen. At the center of the The second compressor stage with the second air blades 9 can be seen in the housing.
  • FIG. 19 shows, on the other hand, that shown in FIG. 18 not shown part of the engine with the Counter gear 4 and drive gear 2.
  • the counter gear 4 rotates twice as fast here like the drive wheel 2, so that engagement of the working piston 3 in the Piston recesses 5 is securely guaranteed.
  • FIG. 20 shows a side view of the device shown in FIGS. 18 and 19 shown motor, at the reservoir 12 is particularly well recognizable.

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Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Drehkolben-Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Drehkolben-Verbrennungsmotor mit einem Gehäuse, wenigstens einem um eine Rotationsachse in dem Gehäuse drehbaren Arbeitsrad, wenigstens einem an dem Arbeitsrad vorgesehenen Arbeitskolben zum Ansaugen und Verdichten von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und zur Umsetzung des bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Gasdrucks in mechanische Energie, wenigstens einem Gegenrad mit wenigstens einer Arbeitskolbenausnehmung, einer Anzahl von drehantreibbaren ersten Luftschaufeln zur Vorverdichtung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und wenigstens einem Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs.
Aufgrund der im Betrieb rotierenden Bewegung des Arbeitskolbens werden solche Verbrennungsmotoren im allgemeinen als Drehkolben-Verbrennungsmotoren oder kurz Drehkolbenmotoren bezeichnet.
Dabei sei bemerkt, dass hier unter dem Begriff "Rotationsachse", um die das Arbeitsrad und der oder die Kolben im Betrieb rotieren, nicht eine körperlich ausgebildete Achse (eine solche wird im folgenden stets als "Welle" bezeichnet), sondern die physikalische Linie durch das Zentrum der Drehbewegung verstanden wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Verbrennungsmotoren werden nach Art der Bewegung des Arbeitskolbens, also desjenigen bewegten Teils, das durch den bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Gasdruck fortgeschoben wird, in Hubkolbenmotoren und Drehkolbenmotoren unterschieden.
Dabei ist seit langem bekannt, dass Hubkolbenmotoren wegen der translatorischen Kolbenbewegung zur Umwandlung der translatorischen Bewegung in eine Drehbewegung Kurbeltriebe benötigen, die aufgrund der bei der fortwährenden Beschleunigung und Abbremsung der Kolben auftretenden Kräfte insbesondere in ihren Führungen und Lagerungen hoch beansprucht werden.
Demgegenüber kommen Drehkolben-Verbrennungsmotoren ohne translatorisch bewegte Kolben und Pleuelstangen aus, und der oder die Kolben bewegen sich im Betrieb auf einer Kreisbahn in immer derselben Richtung, so dass sie nicht wie Hubkolben fortwährend abgebremst und in Gegenrichtung beschleunigt werden müssen.
Der bekannteste Vertreter der Bauart der Drehkolben-Verbrennungsmotoren ist der nach seinem Erfinder benannte Wankel-Motor. Beim Wankel-Motor rotiert ein Kolben mit einem dreieckähnlichen Querschnitt in einem besonders geformten Zylinder. Aufgrund von Dichtungsproblemen und dadurch bedingtem hohen Kraftstoffverbrauch hat sich der Motor trotz der bauartbedingten Vorteile nicht durchsetzen können.
Aus der US 3 401 676 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor bekannt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 29 31 943 A1 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor bekannt, bei dem auf einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Arbeitsrad zwei Arbeitskolben angeordnet sind, wobei das Arbeitsrad in seinem rotationsachsennahen Bereich durchbrochen und mittels angestellter Stege als Lüfterrad ausgebildet ist, so dass das Arbeitsrad vorteilhaft von innen her gekühlt wird. Die Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemischs erfolgt bei diesem Motor in einer separaten Brennkammer, was zu einer aufwendigen Bauweise des Motors führt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 44 17 915 A1 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor bekannt, bei dem vier Kolben auf einem Arbeitsrad angeordnet sind, von denen jeder als Kugelkolben ausgestaltet ist, wobei die Kolben im Betrieb in Ausnehmungen in einem Gegenrad einfahren und dann in dem Gegenrad eine Brennkammer ausbilden, wobei die bei der Verbrennung entstehenden Druckkräfte nur zum Teil in Richtung der eigentlichen kreisförmigen Bewegung des Kolbens wirken, so dass erhebliche Kräfte von dem Gegenrad aufgefangen werden müssen.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift 31 31 258 A1 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor mit einem Arbeitsrad und einem Kompressionsrad bekannt, die auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Das Kompressionsrad trägt mehrere Kompressionskolben zur Kompression eines Kraftstoff-Luft-Gemischs, das dann in eine zwischen dem Kompressionsrad und dem Laufrad ausgebildete Brennkammer gepreßt wird, wo die Zündung erfolgt. Von der Brennkammer aus werden die Verbrennungsgase dem Arbeitsrad zugeführt, wo sie auf die Arbeitskolben wirken können. Ein- und Auslaß in die Brennkammer erfolgen über eine relativ aufwendige Ventilsteuerung. Zudem ist die Kühlung des Arbeitsrades und der Arbeitskolben bei diesem Motor problematisch.
Ein dem zuletzt genannten Motor sehr ähnlicher Motor ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 25 454 A1 bekannt, bei dem ebenfalls auf einer gemeinsamen Welle zwei kolbentragende Räder angeordnet sind, von denen eines zur Kompression von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und das andere zur Umsetzung des bei der Verbrennung entstehenden Gasdrucks in eine Drehbewegung dient. Auch hierbei erfolgt die Verbrennung in einer separaten Brennkammer.
Die bekannten Drehkolben-Verbrennungsmotoren sind relativ komplex und mit dementsprechend hohen Gestehungs- und Wartungskosten verbunden. Zudem arbeiten die bekannten Drehkolben-Verbrennungsmotoren trotz teilweise jahrelanger Forschung und Weiterentwicklung noch nicht optimal, weshalb sich am Markt praktisch keine Drehkolben-Verbrennungsmotoren finden. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Drehkolben-Verbrennungsmotor anzugeben, der die bauartbedingten Vorteile eines Drehkolbenmotors aufweist und die genannten Nachteile bekannter Drehkolben-Verbrennungsmotoren vermeidet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es wird ein Drehkolben-Verbrennungsmotor vorgeschlagen, der ein Gehäuse, wenigstens ein um eine Rotationsachse in dem Gehäuse drehbares Arbeitsrad, wenigstens einen an dem Arbeitsrad vorgesehenen Arbeitskolben zum Verdichten von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und zur Umsetzung des bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Gasdrucks in mechanische Energie, wenigstens ein Gegenrad mit wenigstens einer Arbeitskolbenausnehmung, eine Anzahl von drehantreibbaren ersten Luftschaufeln zur Vorverdichtung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und wenigstens einen Brennraum zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs aufweist, wobei der wenigstens eine Brennraum im Betrieb fortwährend neu zwischen Arbeitskolben, Arbeitsrad, Gegenrad und Gehäuse gebildet wird und die ersten Luftschaufeln nach Art von Speichen Teil des Arbeitsrades bilden und im Betrieb das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder die Luft im wesentlichen parallel zur Rotationsachse des Arbeitsrades durch das Arbeitsrad saugen.
Die Erfindung hat eine Reihe von Vorteilen. So kühlt die durch das Arbeitsrad gesaugte gasförmige Medium, bei dem es sich im Regelfall um Luft handeln wird, bei dem es sich aber auch um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch handeln kann, das Arbeitsrad von innen.
Durch die durchbrochene Ausgestaltung des Arbeitsrades mit den als Speichen wirkenden Luftschaufeln weist es bei hoher Stabilität ein verhältnismäßig geringes Gewicht auf.
Der oder die Arbeitskolben wirken jeweils doppelt: wenn sie sich auf das Gegenrad zu bewegen, komprimieren sie die durch die bereits vorverdichtete Luft, ggf. auch ein bereits gebildetes Kraftstoff-Luft-Gemisch, nach ihrem Durchgang durch die entsprechende Arbeitskolbenausnehmung im Gegenrad wirken sie als "bewegliche Wand" der Brennkammer, die von dem bei der Verbrennung entstehenden Gasdruck fortgedrückt wird.
Das Arbeitsrad mit den Luftschaufeln und einem oder mehreren Arbeitskolben übernimmt sogar drei Funktionen: Vorverdichten, Verdichten, Arbeiten.
Durch diese Mehrfachfunktionalität der Bauteile wird ein einfacher Aufbau des Motors bei geringem Gewicht und geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit ermöglicht. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Abtrieb über eine im Zentrum des Arbeitsrades angeordnete Abtriebswelle, deren Rotationsachse dann identisch mit der Rotationsachse des Arbeitsrades ist. Vorteilhaft können dann die ersten Luftschaufeln direkt oder indirekt (über ein Getriebe) an der Abtriebswelle angreifen und so die von dem oder den Kolben aufgenommene mechanische Energie auf die Abtriebswelle übertragen, von wo sie dann in an sich bekannter Weise weitergeleitet und z.B. zum Antrieb eines Fahrzeuges verwendet werden kann. Fallen die Rotationsachsen von Abtriebswelle und Arbeitsrad zusammen, hat dies Vorteile hinsichtlich der Lagerung und Auswuchtung.
Alternativ ist es auch möglich, eine Abtriebswelle vorzusehen, deren Drehachse nicht mit der Rotationsachse des Arbeitskolbens zusammenfällt. Dabei kann der Antrieb der Abtriebswelle dann z.B. über einem an dem Arbeitsrad vorgesehenen Zahnkranz erfolgen, der die Abtriebswelle direkt oder indirekt antreibt.
In vorteilhafter Weiterbildung kann eine Anzahl drehantreibbarer zweiter Luftschaufeln zur weiteren Vorverdichtung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs vorgesehen sein. Diese zweiten Luftschaufeln können speichenartig Teil eines Zahnkranzes sein und ebenfalls an der Abtriebswelle angreifen. Diese speichenartigen Schaufeln weisen dann ein Profil auf, das wie bei üblichen Verdichterstufen einer Turbine durch Drehung um die Rotationsachse eine Kompression des geförderten Mediums bewirkt. Als zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, den Zahnkranz mit den zweiten Luftschaufeln fest mit dem Arbeitsrad zu verbinden. Ist ein solcher Zahnkranz vorgesehen, so kann dieser Zahnkranz mit den zweiten Luftschaufeln mit einem dazu zumindest partiell komplementären Zahnkranz am Gegenrad in kämmendem Eingriff stehen. Auf diese Weise ergibt sich eine zuverlässige Zwangssteuerung des Gegenrades. Gleichzeitig kann beim Anlassen des Motors das Arbeitsrad über den Zahnkranz in Bewegung gesetzt werden. Da der Motor im Bereich des Brennraums aktiv befüllt wird und keine Saugfunktion besitzt, kann über eine durch den Anlasser bewirkte Rotation des Arbeitsrades die Erstbefüllung zum Starten des Motors bewirkt werden.
Zur einfachen, wartungsarmen und zuverlässigen Lagerung des Arbeitsrades und damit der wichtigsten drehenden Teile des Motors können Gleitlager im Gehäuse zwischen der Gehäuseinnenseite und der gehäusezugewandten Außenseite des Arbeitsrades vorgesehen sein.
Weiter kann ein Reservoir zur Aufnahme des im Betrieb von einem Arbeitskolben komprimierten gasförmigen Mediums (Luft- oder Kraftstoff-Luft-Gemisch) beim Durchgang des Arbeitskolbens durch das Gegenrad vorgesehen sein, wobei das Reservoir z.B. halbzylindrisch oder torodial ausgebildet und Teil des Gehäuses bzw. ein auf dem Gehäuse angesetztes, separates Bauteil sein kann. Eine besonders kompakte Bauweise des Motors wird möglich, wenn das Reservoir im Gegenrad selbst angeordnet ist, also ein Teil des Gegenrades bildet. Dazu kann das Gegenrad über Öffnungen und entsprechende Ventile verfügen, die insbesondere über Federelemente oder hydraulisch gesteuert sein können. Das von einem Arbeitskolben bei der Bewegung auf das Gegenrad verdichtete gasförmige Medium wird in eine im Gegenrad gebildete, als Reservoir dienende Kammer gedrückt und nach Durchgang des Kolbens wieder ausgelassen.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, bei der der Drehkolben-Verbrennungsmotor wenigstens zwei an einem gemeinsamen Arbeitsrad angeordneten Arbeitskolben aufweist, sind in dem Gehäuse wenigstens ein Einlass und ein Auslass ausgebildet. In bestimmten Rotationsstellungen zweier benachbarter Arbeitskolben sind der Einlass und der Auslass gleichzeitig geöffnet, wodurch ermöglicht ist, Spülluft durch den Einlass in den Raum zu leiten, der zwischen den beiden benachbarten Arbeitskolben, dem Gehäuse und dem Arbeitsrad gebildet ist. Damit werden evtl. noch in dem Raum vorhandene Abgase zuverlässig hinausgedrückt. Bei der sog. "Spülluft" kann es sich vorteilhaft um das von den ersten und ggf. zweiten Luftschaufel angesaugte gasförmige Medium handeln, wobei es sich bei dem Medium bei dieser Ausgestaltung dann natürlich nicht um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, sondern um Luft handeln sollte. Der Kraftstoff oder ein Kraftstoff-Luft-Gemisch wird dann erst später zugegeben, insbesondere mittels einer nach dem Gegenrad angeordneten Einspritzdüse.
Der Verdichterstufe, die durch die ersten und zweiten Luftschaufeln gebildet ist, wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung ein Abgasturbolader nachgeschaltet, der die angesaugte Umgebungsluft zusätzlich zu verdichten vermag. Dieser Abgasturbolader kann als sogenannter Soft-Turbolader ausgebildet sein, der einen kontinuierlich mit der Drehzahl steigenden Ladedruck erzeugt.
Die Arbeitskolben können als massives Bauteil ausgebildet sein, bevorzugt werden sie mit einer Kühlung versehen. Diese Kühlung kann bei einer Ausgestaltung durch eine Ladeluftkühlung erfolgen, die die von der Verdichterstufe angesaugte Umgebungsluft kühlt. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung weist eine aktive Kolbenkühlung auf, bei der die ersten Luftschaufeln mittig unterhalb der Arbeitskolben angeordnet sind, wobei die Arbeitskolben einen U-förmigen Kühlkanal aufweisen. Dieser Kühlkanal ist strömungstechnisch mit einem Ende mit der vor der Verdichterstufe angeordneten Saugseite und mit dem gegenüberliegenden Ende mit der hinter der Verdichterstufe angeordneten Druckseite verbunden. Durch das Druckgefälle längs der Verdichterachse wird sich bei dieser Ausgestaltung eine Luftströmung durch den Kühlkanal ausbilden. Hierdurch ist eine einfache und effiziente Kühlung der Arbeitskolben gewährleistet.
Das Arbeitsrad kann das Gegenrad auch über sonstige Antriebsmittel antreiben. Dies kann beispielsweise eine Antriebskette sein, die nach der Art einer Steuerkette bei herkömmlichen Hubkolbenmotoren im Zahnkranz des Arbeitsrades mit dem komplementären Zahnkranz des Gegenrades anstelle einer unmittelbaren Verzahnung verbindet. Wesentlich hierbei ist nur die korrekte Auslegung des Übersetzungsverhältnisses, da jederzeit gewährleistet sein muss, dass die Arbeitskolben in die Arbeitskolbenausnehmung eingreifen, was durch das hierfür erforderliche Drehzahlverhältnis realisiert wird. Weitere Merkmale und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Fig. 1
zeigt einen senkrecht zur Rotationsachse des Arbeitskolbens geführten Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel eines Drehkolben-Verbrennungsmotors, wobei das Arbeitsrad vier Arbeitskolben trägt und ein Gegenrad mit einer Arbeitskolbenausnehmung vorgesehen ist,
Fig. 2
zeigt einen entlang der Linie A-A in Fig. 1 durch den Drehkolben-Verbrennungsmotor gemäß Fig. 1 geführten Schnitt,
Fig. 3
zeigt einen entlang der Linie B-B in Fig. 1 durch den Drehkolben-Verbrennungsmotor gemäß Fig. 1 geführten Schnitt,
Fig. 4
zeigt schematisch den ersten Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Zuführen von vorverdichteter Luft in den zwischen zwei Arbeitskolben, dem Gehäuse und dem Arbeitsrad gebildeten Raum,
Fig. 5
zeigt schematisch den zweiten Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Verdichten der Luft und Einleiten der verdichteten Luft in ein hier nicht dargestelltes Reservoir,
Fig. 6
zeigt schematisch den dritten Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Zünden eines Kraftstoff-Luft-Gemischs,
Fig. 7
zeigt schematisch den vierten Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Expandieren der von Gegenrad, Arbeitskolben, Arbeitsrad und Gehäuse gebildeten Brennraum durch Drehen des Arbeitskolbens,
Fig. 8
zeigt schematisch den fünften Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Ausleiten der Abgase aus dem Brennraum durch einen im Gehäuse gebildeten ersten Auslass,
Fig. 9
zeigt schematisch den sechsten Arbeitsschritt beim Betrieb eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors, nämlich das Spülen des Raumes, in dem zuvor die Verbrennung stattgefunden hat, durch Einleitung von vorverdichteter Luft,
Fig. 10
zeigt rein schematisch eine mögliche Anordnung von Gegenrad, Arbeitsrad und einem gesonderten Abtrieb, gesehen in Richtung der Rotationsachse des Arbeitsrades,
Fig. 11
zeigt rein schematisch eine, ein Gegenrad, zwei Arbeitsräder und einen gesonderten Abtrieb umfassende Anordnung, gesehen in Richtung der Rotationsachse der Arbeitsräder,
Fig. 12
zeigt rein schematisch eine, ein Gegenrad und drei Arbeitsräder umfassende Anordnung, gesehen in Richtung der Rotationsachse der Arbeitsräder,
Fig. 13
zeigt rein schematisch einen Drehkolben-Verbrennungsmotor mit einem Arbeitsrad, gesehen senkrecht zur Richtung der Rotationsachse des Arbeitsrades,
Fig. 14
zeigt rein schematisch einen Drehkolben-Verbrennungsmotor mit zwei entlang einer gemeinsamen Rotationsachse angeordneten Arbeitsrädern, gesehen senkrecht zur Richtung der Rotationsachse der Arbeitsräder,
Fig. 15
zeigt rein schematisch einen Drehkolben-Verbrennungsmotor mit drei entlang einer gemeinsamen Rotationsachse angeordneten Arbeitsrädern, gesehen senkrecht zur Richtung der Rotationsachse der Arbeitsräder,
Fig. 16
zeigt schematisch die Zuführung von Luft in die und die Ableitung von Luft aus den zwischen Arbeitsrad, Gehäuse und Arbeitskolben gebildeten Räumen, gesehen in Richtung der Rotationsachse des Arbeitsrades,
Fig. 17
zeigt schematisch die Zuführung von Luft durch das Arbeitsrad und die Ableitung von Luft aus einem zwischen Arbeitsrad, Gehäuse und Arbeitskolben gebildeten Raum, gesehen senkrecht zur Richtung der Rotationsachse der Arbeitsräder,
Fig. 18
zeigt eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Drehkolben-Verbrennungsmotors mit einem nur schematisch angedeuteten gesonderten Abtrieb, gesehen in Richtung der Rotationsachse des Laufrades,
Fig. 19
zeigt einen quer zur Rotationsachse des Laufrades geführten Schnitt durch den Drehkolben-Verbrennungsmotor gemäß Fig. 18 und
Fig. 20
zeigt eine schematisierte Seitenansicht des Drehkolben-Verbrennungsmotors gemäß Fig. 18.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im folgenden werden unter Bezug auf die Zeichnungen rein beispielhaft und nicht beschränkend verschiedene vorteilhafte Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Drehkolben-Verbrennungsmotoren beschrieben und deren Arbeitsweise erläutert, wobei sich aus den Zeichnungen weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
In den Figuren 1 bis 3 ist ein Drehkolben-Verbrennungsmotor dargestellt, bei dem in einem mit einer Vielzahl von Kühlrippen versehenen Gehäuse 1 ein Arbeitsrad 2 drehbar gelagert ist.
Das Arbeitsrad trägt vier Arbeitskolben 3, die im Betrieb fortwährend auf ein Gegenrad 4 zu und wieder von diesem weg laufen, wobei im Gegenrad 4 eine Arbeitskolbenausnehmung 5 vorgesehen ist, so dass die Arbeitskolben 3 mit dem Gegenrad 4 nach Art von Zahnrädern kämmen können.
Die Arbeitskolben 3 greifen in die Arbeitskolbenausnehmung 5 ein, die so gestaltet ist, dass sich ein Abwälzen der vorderen und äußeren Kante des Arbeitskolbens auf der inneren Kontur der Arbeitskolbenausnehmung ergibt. Hier unten dargestellt ist das Gegenrad 4, das so angeordnet ist, dass sich die äußere Lauffläche des Gegenrades 4 und des Arbeitsrades 2 jeweils aufeinander abwälzen, hier also sich das Gegenrad 4 im Uhrzeigersinn dreht, während sich das Arbeitsrad 2 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Zwischen dem in Drehrichtung des Arbeitsrades 2 gesehen vor dem Gegenrad 4 angeordneten Arbeitskolben 3 bildet sich infolge der Drehung der Brennraum des Motors. Dieser Brennraum ist begrenzt durch die dem Gegenrad 4 zugewandte innere Seite des Arbeitskolben 3, einem Teil der Lauffläche des Gegenrades 4 sowie der inneren Wandung des Arbeitsrades 2 und der Wandung des Gehäuses 1.
Dieses Gehäuse 1 ist an seiner dem Arbeitsrad 2 zugewandten Seite so ausgebildet, dass sich eine feine Lauffläche nach der Art einer Zylinderinnenbuchse für die Arbeitskolben 3 ergibt. Hierzu kann das Gehäuse 1 entweder selbst in der entsprechenden Qualität bearbeitet sein oder ein Standrad aufweisen, das in das Gehäuse 1 eingesetzt ist und nach der Art einer Zylinderlaufbuchse die erforderliche Oberflächengüte und Lauffläche bietet. Das Gehäuse 1 oder das Standrad des Gehäuses 1 bieten eine Aufnahme für das Gegenrad 4, die ebenfalls eine Lauffläche für die weitgehend gasdichte Anlage des Gegenrades 4 an die seitliche Wandung des Gehäuses 1 bietet. Unter dem Gegenrad 4 ist eine Reservoir 12 angeordnet, dessen Funktionsweise weiter unten beschrieben werden wird.
In Drehrichtung gesehen schließt sich dann ein Vorauslass sowie ein Einlass 13 für die Spülluft und ein Auslass 14 für ein Gemisch aus Abgas- und Spülluft an. Weiter in Drehrichtung gesehen ist ein Lufteinlass bzw. ein Einlass für ein Kraftstoff-Luft-Gemisch vorgesehen, über den für den erneuten Verbrennungsvorgang das zu komprimierende Gas angesaugt werden kann.
Das Arbeitsrad 2 besteht im wesentlichen aus einer riemenscheibenartigen Konstruktion, die in den Figuren im Schnitt dargestellt ist. Im Bereich der oberen und unteren Scheibenebene springt ein Steg hervor, so dass zwischen diesen beiden hervorspringenden Stegen ein ringförmiger Kanal ausgebildet ist. In diesem ringförmigen Kanal sind äquidistant die Arbeitskolben 3 angeordnet, die hier von flachen Stegen gebildet sind, die den ringförmigen Kanal des Arbeitsrades 2 in hier vier Segmente teilen. Zusammen mit der inneren Wandung des Gehäuses 1 bzw. eines Standrades des Gehäuses 1 ergibt sich so jeweils ein abgeschlossener Raum in Form eines Torussegmentes mit rechteckigem Querschnitt, der durch die Drehung des Arbeitsrades 2 um die Rotationsachse herumbewegt ist. Selbstverständlich schließt die Angabe abgeschlossen hierbei nicht aus, dass durch Einlass- bzw. Auslassöffnungen ein Gasaustausch mit dem Äußeren stattfinden kann.
Im inneren Bereich weist das Arbeitsrad 2 erste Luftschaufeln 6 auf, so dass dieser innere Bereich nach der Art eines Turbinenrades ausgebildet ist. Diese Luftschaufeln 6 sind mit ihren äußeren Enden mit dem nutförmigen Außenbereich und mit inneren Enden mit einer inneren Nabe verbunden. Bevorzugt sind die ersten Luftschaufeln 6 konzentrisch und symmetrisch zur Rotationsachse R angeordnet. Über die im Fall der verwendeten ersten Luftschaufeln 6 und deren Anstellung relativ zum durchströmenden Medium kann das Verdichtungsverhältnis, also der hinter dem Arbeitsrad im Gehäuse vorherrschende Druck eingestellt werden.
Die Funktionsweise der ersten Luftschaufeln ist am besten in den FIG. 2 und 3 zu erkennen. Wie hier dargestellt, wird der von linken Seite des Gehäuses 1 Luft durch die Rotation des Antriebsrades 2 Luft angesaugt, die durch einen inneren Strömungskanal hindurchströmt. Die so angesaugte und verdichtete Luft sammelt sich in einem Luftsammelbehälter (hier nicht dargestellt), der strömungstechnisch mit einem Lufteinlass des Gehäuses 1 in den brennraumnahen Kanal des Arbeitsrades 2 verbunden ist. Auf diese Weise kann komprimierte Luft zur Verfügung gestellt werden, ohne dass zusätzliche Bauteile zur Kompression erforderlich wären. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Motor eine zweite Verdichterstufe auf, die von einem Zahnkranz 10 gebildet ist, der auf der das Antriebsrad 2 haltenden Welle aufgesetzt ist. Dieser Zahnkranz 10 hat eigentlich die Funktion, dass Gegenrad 4 anzutreiben und weist ähnlich wie das Antriebsrad 2 einen inneren Bereich auf, der mit zweiten Luftschaufeln 9 versehen ist und von gasförmigem Medium durchströmt werden kann.
Durch diesen Überdruck kann eine schnelle Befüllung des geöffneten Volumens, das den späteren Brennraum bilden wird, erzielt werden, ohne lange Ventilöffnungszeiten vorhalten zu müssen. Schließlich wird die so komprimierte Luft genutzt, um nach der vorhalten zu müssen. Schließlich wird die so komprimierte Luft genutzt, um nach der Verbrennung den Raum zwischen zwei Arbeitskolben 3 effektiv zu spülen, d.h. von möglicherweise verbliebenen Gasresten infolge der Verbrennung zu säubern. Hierzu steht in dem Gehäuse 1 angeordnete Kammer mit der verdichteten Luft in Verbindung mit einem sich zeitweise öffnenden Einlass 13, durch den die Luft in den torodialen Bereich des Arbeitsrades 2 einströmen und durch einen Auslass 14 wieder austreten kann.
Die in den FIG. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsform ist nur eine prinzipielle Darstellung eines einzelnen Zylinders, jedoch bereits voll funktionsfähig ist. Bevorzugt werden jedoch mehrere Arbeitsräder eingesetzt, die sowohl auf einer gemeinsamen Abtriebswelle 8 als auch auf mehreren Wellen nebeneinander angeordnet sein können. Auf diese Weise sind mehrreihige oder mehrstufige Motoren mit einer Mehrzahl von Brennräumen möglich. Schließlich kann sich durch die Verwendung von mehreren Gegenrädern 4 in Verbindung mit einem gemeinsamen Arbeitsrad 2 und einer entsprechenden Anzahl von Arbeitskolben 3 auch ein Motor ausgebildet werden, der je Arbeitsrad 2 mehrere Brennräume aufweist. Wichtig hierfür ist lediglich die Tatsache, dass hinter dem Gegenrad 4 die hier beschriebenen Funktionsbereiche zum Austreiben und Spülen der Verbrennungsrückstände und vor dem Gegenrad 4 die Vorkehrungen zum Befüllen mit Umgebungsluft und Komprimieren der Verbrennungsluft vorgesehen sind. Hinter dem Gegenrad 4 ist jeweils eine Einspritzdüse angeordnet, über die beispielsweise Dieselkraftstoff oder auch Kerosin in den Brennraum eingespritzt werden kann.
Das genaue Verfahren der Ansaugung und Verdichtung des Mediums und der Verbrennung wird nachfolgend in den FIG. 4 bis 9 dargestellt. FIG. 4 zeigt das Arbeitsrad 2 in einer Position, in der vorverdichtete Umgebungsluft in den späteren Brennraum, d.h. in die Nut des Arbeitsrades 2 eingetreten ist. Durch Verwendung der durch das Arbeitsrad 2 komprimierten Umgebungsluft ist ein separater Ansaugvorgang nicht notwendig, infolge des Überdruckes strömt kontinuierlich Umgebungsluft in den nutförmigen Außenbereich des Arbeitsrades 2.
Sobald einer der Arbeitskolben 3 die Eintrittsöffnung der komprimierten Umgebungsluft passiert, wird ein Segment der Nut des Arbeitsrades 3 abgeschlossen, wodurch sich eine geschlossene Druckkammer ergibt. Dass auf die oben beschriebene Weise in den Kanal des Arbeitsrades 2 eingetretene verdichtete Medium wird nun durch weitere Drehung des Arbeitsrades 2 weiter verdichtet. Bei dem Medium kann es sich je nach Grundtyp des Motors um Umgehungsluft oder auch um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch handeln. Letzteres wird im Falle eines Benzinmotores eingesetzt werden, im Falle eines Dieselmotors wird dagegen nur Umgebungsluft angesaugt. Durch die weitere Drehung des Arbeitsrades 2 wird nun zunächst infolge des Passierens des Kolbens 3 der Eintrittsöffnung ein abgeschlossener Raum zwischen den drei durch das Arbeitsrad 2 gegebenen Kammerwänden, der Vorderseite des Arbeitskolbens 3 und der Rückseite des Gegenrades 4 gebildet.
Dieses relativ zum Umgebungsdruck unter erhöhten Druck stehende Gasvolumen wird nun durch die weitere Drehung des Arbeitsrades 2 in Richtung des Gegenrades 4 transportiert und durch weiteres Auflaufen des Arbeitskolbens 3 auf das Gegenrad 4 zunehmend verkleinert. Hierdurch tritt eine immer stärkere Kompression des Gasvolumens auf, so dass sich bei einer bevorzugten Ausgestaltung beispielsweise ein Druck von ca. 40 bar infolge eines Verdichtungsverhältnisses von 1:20 aufbaut. Nach endgültigem Aufbau des Arbeitsdruckes wird ein seitlich angeordnetes Druckreservoir geöffnet, so dass das komprimierte Medium in dieses Reservoir unter leichter Entspannung einströmen kann. So ist in der Seitenwandung des nutförmigen Kanals des Arbeitsrades 2 eine Öffnung vorgesehen, die infolge der Drehung des Arbeitsrades 2 über den Eintritt in das Reservoir 12 verdreht wird, so dass die Eintrittsöffnung sowie die Öffnung im Arbeitsrad 2 zunehmend deckungsgleich zueinander werden.
Hierdurch wird im Innenraum des Nutsegmentes mit dem Reservoir 12 strömungstechnisch kurzgeschlossen und das verdichtete Medium kann in das Reservoir 12 einströmen. Durch die leichte Entspannung ergibt sich im Reservoir dann beispielsweise bei einer bevorzugten Ausgestaltung ein Innendruck von ca. 35 bar. Weiteres Verdrehen des Arbeitsrades 2 bewirkt nun, dass der hinter dem gerade entspannten Nutsegment gelegene Arbeitskolben 3 mit der Arbeitskolbenausnehmung 5 kämmt, wodurch der Arbeitskolben 3 im Bereich des Gegenrades 4 passieren kann. Durch weitere Verdrehung des Arbeitsrades 2 bildet sich hinter dem Gegenrad 4 durch den gleichen Arbeitskolben 3 ein wiederum abgeschlossenes Torussegment, in das das komprimierte Medium aus dem Reservoir 12 strömen kann.
So füllt sich dieses Torussegment wiederum unter leichter Entspannung mit dem komprimierten Medium, das beispielsweise nun einen Druck von 30 bar aufweisen kann. Ein weiteres Verdrehen des Arbeitsrades 2 um einige Winkelgrade bewirkt ein Fortbewegen der seitlichen Einlassöffnung von dem Austritt des Druckreservoirs 12, dass das Torussegment zur Bildung eines geschlossenen Brennraumes vollständig verschlossen ist. Nun kann über eine in den FIG. 4 bis 7 nicht dargestellte Zündvorrichtung bereits eine Zündung erfolgen, sofern das eingeschlossene Medium ein Kraftstoff-Luft-Gemisch ist. Bei einem Dieselmotor dagegen wird bevorzugt eine Direkteinspritzung verwendet, hierfür ist hinter dem Gegenrad 4 eine Einspritzdüse vorgesehen, die beispielsweise in FIG. 1 dargestellt ist. Im Falle der Direkteinspritzung wird das Benzin im dargestellten Fall tangenzial längs der Oberfläche des Gegenrades 4 eingespritzt.
Infolge der der Einspritzrichtung entgegengesetzten Drehrichtung des Gegenrades 4 tritt so eine Verwirbelung des eingespritzten Nebels auf, der sich durch die Drehung des Arbeitsrades 2 im Brennraum verteilt. Ein Glühfaden bewirkt die Zündung des Gemisches, das infolge der Verbrennung expandiert und den nun im vorderen Bereich gelegenen Arbeitskolben 3 in Drehrichtung des Arbeitsrades 2 antreibt.
Zur Optimierung des Brennraumes 7 kann die Form der Seitenwandungen und des Grundes des nutförmigen Kanales entsprechend der Strömungsanforderungen modifiziert werden. So ist es beispielsweise möglich, dass anstelle der hier dargestellten Ebenen auf Flächen von Gegenrad 4 und Nutgrund des Antriebsrades 2 eine leicht ballige Ausgestaltung des Gegenrades 4 und eine korrespondierende negative Formgebung des Nutgrundes des Antriebsrades 2 gewählt wird. Auch der Einspritzwinkel relativ zu den beiden Richtungen senkrecht zur Rotationsachse R des Antriebsrades 2 kann je nach Anforderung modifiziert werden, um eine möglichst hundertprozentige und damit schadstoffarme Verbrennung zu gewährleisten.
Nach der Verbrennung wird das Antriebsrad 2 weiter verdreht, so dass zunächst ein seitlicher Schadstoffauslass mit dem Brennraum in Strömungskontakt gerät. Hierdurch entweichen bereits erste Abgase, die einer üblichen Abgasreinigung und Abführung zugeführt werden können. Eine weitere Verdrehung des Arbeitsrades 2 bewirkt, dass das eventuell noch mit Restgasen gefüllte Kammervolumen deckungsgleich mit einem Einlass 13 gebracht wird, an den ein unter Druck stehendes Umgebungsluftvolumen angelegt ist. Bei Strömungskontakt der Kammer mit diesem Einlass 13 strömt diese Umgebungsluft dann in die Kammer ein und kann durch einen Auslass 14 unter Mitnahme der Gasreste zur vollständigen Spülung wieder austreten.
Die Arbeitskolben 3 sind mit ihrer äußeren Kontur so ausgebildet, dass im oberen Bereich eine große Ausdehnung vorliegt, die eine selbsttätige Abdichtung mit der inneren Lauffläche des Gehäuses 1 ergibt. Zusätzliche Dichtmittel, wie etwa Kolbenringe im Falle eines Hubkolbenmotors, sind nicht erforderlich. Das Arbeitsrad 2 ist über Gleitlager 11 im Gehäuse 1 gelagert.
Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die vorverdichteten gasförmigen Medien durch das Arbeitsrad selbst komprimiert werden. Hierzu weist das Arbeitsrad innerhalb des torusförmigen Arbeitsbereiches eine Ausgestaltung nach der Form eines Turbinenrades auf. Dieses Turbinenrad wird von ersten Luftschaufeln 6 gebildet, die aus der Umgebung Umgebungsluft ansaugen und in einem Kammervolumen komprimiert zur Verfügung stellen. Wie in FIG. 2 dargestellt, kann eine zweite Verdichterstufe vorgesehen sein, die die Luft zusätzlich komprimiert, das Kammervolumen ist sowohl mit dem Spüllufteinlass 13 als auch mit dem Einlass für das zu verdichtende gasförmige Medium verbunden.
Durch die erste Verdichterstufe mit den ersten Schaufeln bzw. sofern vorhanden durch die zusätzliche Kompression durch die zweite Verdichterstufe mit zweiten Luftschaufeln 9, steht das gasförmige Medium beispielsweise unter einem Druck von 2,5 bar relativ zur Umgebung. Dies bewirkt ein schnelles und sicheres Einströmen der Umgebungsluft in die jeweiligen Volumina des ringförmigen Körpers, ohne dass lange Öffnungszeiten der Ventile benötigt würden.
In den FIG. 10 und 11 sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt. FIG. 10 zeigt eine Prinzipskizze eines einläufigen Motors mit nur einem Antriebsrad 2 und einem Gegenrad 4. FIG. 11 dagegen zeigt eine Erweiterung des Motors mit zwei Antriebsrädern 2, die ein gemeinsames Gegenrad 4 zum Funktionsaufbau nutzen. In FIG. 12 ist ein sternförmiger Aufbau eines dreiläufigen Motors dargestellt, der ebenfalls ein gemeinsames Gegenrad nutzt. Dieser Aufbau ist besonders vorteilhaft, da sich die Achsbelastung auf die Lagerung des Gegenrades 4 gegenseitig kompensieren. In diesem Fall ist die Biegebeanspruchung der Lagerung des Gegenrades 4 minimiert, was sowohl auf den Verschleiß als auch auf die Lagerverluste positive Auswirkungen hat. Anstelle der dargestellten Ausgestaltungen können auf einer gemeinsamen Rotationswelle auch mehrere Antriebsräder hintereinander angeordnet werden, so dass sich ein mehrstufiger Motor mit mehreren Antriebsrädern 2 ergibt, die um eine gemeinsame Rotationsachse R drehbar gelagert sind. In diesem Fall kann jedes der Antriebsräder 2 mit jeweils einem Gegenrad 4 zusammen wirken, es ist jedoch auch möglich, dass anstelle mehrerer Gegenräder 4 eine walzenartige Ausgestaltung des Gegenrades 4 genutzt wird, wobei dieses eine Gegenrad 4 dann mit allen eingesetzten Antriebsrädern zusammen wirkt. Letztere Ausgestaltung ist natürlich nur dann möglich, wenn die Winkelposition der Arbeitskolben 3 bei allen Antriebsrädern 2 jeweils identisch ist. Eine Verdrehung der Antriebsräder 2 relativ zueinander dagegen führt zu einem runderen Lauf des Motors und wird so den höheren Aufwand für die Lagerung der verschiedenen Gegenräder 4 rechtfertigen.
Ferner ist es möglich, einen mehrreihigen und einen mehrstufigen Motor miteinander zu kombinieren, sofern die örtlichen Verhältnisse die hierdurch entstehende Baugröße zulassen. Auch können je Antriebsrad 2 mehrere über den Umfang verteilte Gegenräder 4 eingesetzt werden, wobei je eingesetztem Gegenrad jeweils vier Arbeitskolben 3 am Antriebsrad 2 vorgesehen werden. Hierdurch können mehrere Brennräume über den Umfang verteilt werden und je nach Position der Gegenräder 4 ein mehrzylindriger Motor mit entsprechender Laufruhe aufgebaut werden. Generell wird beim erfindungsgemäßen Motor die Laufruhe im Verhältnis zum Hubkolbenmotor wesentlich höher sein, da eine Bewegungsumkehr der bewegten Massen weitgehend vermieden werden kann.
Die FIG. 13, 14 und 15 zeigen einen mehrreihigen Motor, wie er oben bereits beschrieben wurde. Alle Antriebsräder werden gemeinsam durchströmt und weisen jeweils ein Turbinenrad auf. Der hinter dem Turbinenrad zur Verfügung stehende Überdruck kann entweder unmittelbar zu den jeweiligen Öffnungen der Antriebsräder geführt werden oder auch hinter dem Turbinenradstapel in ein gemeinsames Reservoir geleitet werden, von wo er aus den entsprechenden Öffnungen zugeführt werden kann.
Die FIG. 16 und 17 zeigen zusammen mit den FIG. 18 bis 20 noch einmal die oben beschriebene einstufige Ausführungsform des erfindungsgemäßen Motors. FIG. 18 zeigt das Gehäuse ohne das Antriebsrad 2, so dass das Reservoir 12 sowie die gegenüberliegend angeordnete Abgasabführung erkennbar werden. Im Zentrum des Gehäuses ist die zweite Verdichterstufe mit den zweiten Luftschaufeln 9 erkennbar. FIG. 19 zeigt dagegen, den in FIG. 18 nicht dargestellten Teil des Motors mit dem Gegenrad 4 und dem Antriebsrad 2. Das Gegenrad 4 dreht sich hier doppelt so schnell wie das Antriebsrad 2, so dass ein Eingriff der Arbeitskolben 3 in die Arbeitskolbenausnehmungen 5 sicher gewährleistet ist. In der gezeigten Stellung wälzt sich gerade der vordere Bereich der Arbeitskolbenausnehmung 5 auf dem hinteren Teil des Arbeitskolbens 3 ab, so dass in Kürze die Strömungsverbindung zu dem Reservoir 12 zur Füllung des Brennraumes mit komprimierten Medium hergestellt werden kann. FIG. 20 zeigt eine Seitenansicht des in den FIG. 18 und 19 dargestellten Motors, bei der das Reservoir 12 besonders gut erkennbar ist.
Bezugszeichenliste:
1
Gehäuse
2
Arbeitsrad
3
Arbeitskolben
4
Gegenrad
5
Arbeitskolbenausnehmung
6
Erste Luftschaufeln
7
Brennraum
8
Abtriebswelle
9
Zweite Luftschaufel
10
Zahnkranz
11
Gleitlager
12
Reservoir
13
Einlass
14
Auslass
15
Einspritzdüse
R
Rotationsachse

Claims (10)

  1. Drehkolben-Verbrennungsmotor mit
    einem Gehäuse (1 ),
    wenigstens einem um eine Rotationsachse (R) in dem Gehäuse (1) drehbaren Arbeitsrad (2),
    wenigstens einem an dem Arbeitsrad (2) vorgesehenen Arbeitskolben (3) zum Ansaugen und Verdichten von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und zur Umsetzung des bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs entstehenden Gasdrucks in mechanische Energie,
    wenigstens einem Gegenrad (4) mit wenigstens einer Arbeitskolbenausnehmung (5),
    einer Anzahl von drehantreibbaren ersten Luftschaufeln (6) zur Vorverdichtung von Luft oder eines Kraftstoff-Luft-Gemischs und
    wenigstens einem Brennraum (7) zur Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs,
    wobei der wenigstens eine Brennraum (7) im Betrieb fortwährend neu zwischen Arbeitskolben (3), Arbeitsrad (2), Gegenrad (4) und Gehäuse (1) gebildet wird und
    wobei die ersten Luftschaufeln (6) nach Art von Speichen Teil des Arbeitsrades sind und im Betrieb das Kraftstoff-Luft-Gemisch oder die Luft durch das Arbeitsrad (2) saugen,
       dadurch gekennzeichnet,
    daß das Arbeitsrad (2) riemenscheibenartig ausgebildet ist und über wenigstens einen durch den oder die Arbeitskolben (3) unterbrochenen, ansonsten ringförmig umlaufenden Kanal verfügt und
    daß jeder Arbeitskolben fest in einem solchen Kanal eines Arbeitsrades angeordnet ist.
  2. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Arbeitskolben (3) als flacher Steg ausgebildet ist.
  3. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens zwei Arbeitskolben an einem Arbeitsrad angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben (3) äquidistant in dem ringförmig umlaufenden Kanal des Arbeitsrades (2) angeordnet sind und den Kanal in gleich große Segmente unterteilen.
  4. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenrad derart ausgebildet ist, daß beim Betrieb des Motors seine Winkelgeschwindigkeit höher ist als die Winkelgeschwindigkeit des zugehörigen Arbeitsrades.
  5. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtriebswelle (8) vorgesehen ist, deren Rotationsachse (R) identisch mit der Rotationsachse (R) des Arbeitsrades (2) ist.
  6. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl drehantreibbarer zweiter Luftschaufeln (9) zur weiteren Vorverdichtung der Luft oder des Kraftstoff-Luft-Gemischs vorgesehen sind.
  7. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reservoir (12) zur Aufnahme der im Betrieb von einem der Arbeitskolben (3) komprimierten Luft bzw. des komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemischs beim Durchgang des Arbeitskolbens (3) durch das Gegenrad (4) vorgesehen ist.
  8. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Reservoir (12) im Gegenrad angeordnet ist.
  9. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit wenigstens zwei an einem gemeinsamen Arbeitsrad (2) angeordneten Arbeitskolben (3), dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (1) wenigstens ein Einlaß (13) und ein Auslaß (14) derart ausgebildet sind, daß sie in bestimmten Rotationsstellungen zweier benachbarter Arbeitskolben (3) gleichzeitig geöffnet sind, so daß Spülluft durch den Einlaß (13) in den zwischen den beiden benachbarten Arbeitskolben (3), dem Gehäuse (1) und dem Arbeitsrad (2) gebildeten Raum geleitet werden und evtl. in dem Raum vorhandene Abgase aus dem Auslaß (14) drücken kann.
  10. Drehkolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß er als mehrreihiger Motor mit wenigstens zwei, hintereinander und um eine gemeinsame Rotationsachse (R) drehbar gelagerten Arbeitsrädern (2) ausgebildet ist, denen jeweils ein Gegenrad (4) zugeordnet ist.
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