EP2612985A1 - Rotary piston combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine.The invention relates to a rotary piston internal combustion engine.
Auf dem Gebiet der Rotationskolben-Brennkraftmaschinen gibt es bereits eine Vielzahl an Veröffentlichungen.There are already a large number of publications in the field of rotary piston internal combustion engines.
Aus der
Eine in ihrer Bauart ähnliche Brennkraftmaschine ist in der
Der Brennraum ist als Verbindungskanal ausgebildet, der die Kompressions- und Expanslonsräume/Arbeitsraum verbindet und außerhalb des Arbeitsbereiches angeordnet ist. Aufgrund der hohen Temperaturbelastungen müssen alle Scheiben aus Keramik bestehen.The combustion chamber is designed as a connecting channel, which connects the compression and Expanslonsräume / working space and is located outside the work area. Due to the high temperature loads, all discs must be made of ceramic.
Wesentlicher Nachteil vorgenannter Lösungen besteht darin, dass während der Rotation der Rotorwelle starke einseitige Belastungen auf die Wellen bzw. Lagerungen wirken, die auch auf die Zahnräder übertragen werden. Die Belastungen der Rotorwelle entlang der Drehachse wirken sich nachteilig auf die Lebensdauer der Motoren aus und begrenzen deren Einsatzmöglichkeiten. Zur Lagerung der Rotorwelle sind spezielle Lager erforderlich, die großen Belastungen standhalten müssen. Außerdem unterliegen diese Motoren einem hohen Verschleiß.Significant disadvantage of the aforementioned solutions is that during the rotation of the rotor shaft strong unilateral loads act on the waves or bearings, the also be transferred to the gears. The loads of the rotor shaft along the axis of rotation have a detrimental effect on the service life of the motors and limit their possible applications. For storage of the rotor shaft special bearings are required, which must withstand high loads. In addition, these motors are subject to high wear.
Der außerhalb des Arbeitsraumes liegende Brennraum gemäß
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine schmierfrei arbeitende Rotationskolben-Brennkraftmaschine zu schaffen, bei der die auf die Abtriebswelle wirkenden Belastungen erheblich verringert werden und die sich durch eine verbesserte Wirkungsweise auszeichnet.The invention has for its object to provide a lubrication-free working rotary piston internal combustion engine, in which the forces acting on the output shaft loads are significantly reduced and which is characterized by an improved mode of action.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 15.According to the invention the object is achieved by the features specified in
Die Rotationskolben-Brennkraftmaschine ist mit mindestens zwei zentrisch gelagerten, gegenläufigen, drehbaren, synchronisierten, achsparallel angeordneten Rotoreinheiten einer Arbeitsrotoreinheit und einer Steuerrotoreinheit, ausgerüstet, die in Modulbauweise erweiterbar sind.The rotary piston internal combustion engine is equipped with at least two centrally mounted, counter-rotating, rotatable, synchronized, axially parallel rotor units of a working rotor unit and a control rotor unit, which can be expanded in modular design.
Jede dieser Einheiten besteht aus einer rotierbaren Welle auf der mindestens eine kreisrunde Scheibe befestigt ist, die mindestens mit einem Kolben ausgerüstet ist. Ein Kolben besteht aus zwei identischen Kolbenabschnitten in Form von Ringausschnitten bzw. ringförmigen Segmenten, die spiegelsymmetrisch zueinander, jeweils einer auf jeder Stirnseite der Scheibe, angeordnet sind. Identisch bedeutet hier, dass die beiden Kolbenabschnitte eines Kolbens in ihrer Geometrie, der Querschnittsform und in der Masse immer gleich sind. Die spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnitte überragen die äußere Kante der zugehörigen Scheibe, bezogen auf ihre Bogenmaßlänge, mit gleichem Maß. Die beiden Kolbenabschnitte bilden in ihrer Funktion einen Kolben. Es besteht auch die Möglichkeit, dass Scheiben mehr als einen Kolben besitzen. Die Kolben benachbarter Scheiben liegen in einer gemeinsamen Ebene.Each of these units consists of a rotatable shaft on which at least one circular disc is fixed, which is equipped with at least one piston. A piston consists of two identical piston sections in the form of ring cutouts or annular segments, which are arranged mirror-symmetrically to each other, one on each end face of the disc. Identical here means that the two piston sections of a piston in their geometry, the cross-sectional shape and in the mass are always the same. The mirror-symmetrically arranged piston sections project beyond the outer edge of the associated disk, with respect to their radian length, to the same extent. The two piston sections form a piston in their function. There is also the possibility that discs have more than one piston. The pistons of adjacent discs lie in a common plane.
Die Scheibe und die zugehörigen Kolbenabschnitte können aus einem Teil bestehen, dass z.B. durch Gießen hergestellt wird, oder aus mehreren Teilen, die zu einer Funktionseinheit zusammengebaut werden.The disc and the associated piston sections can be made of a part that e.g. produced by casting, or of several parts, which are assembled into a functional unit.
Der Abstand zwischen den Drehachsen zweier benachbarter Rotoreinheiten ergibt sich aus der Summe aus dem Außenradius des einen Kolbens und dem Innenradius des anderen Kolbens zweier benachbarter Kolben einer Ebene. Während der Rotation zweier benachbarten Kolben entsteht ein Überschneidungsbereich, in dem die beiden benachbarten Kolben berührungslos ineinanderkämmen.The distance between the axes of rotation of two adjacent rotor units results from the sum of the outer radius of one piston and the inner radius of the other piston of two adjacent pistons of a plane. During the rotation of two adjacent piston creates an overlap area, in which the two adjacent pistons mesh with each other without contact.
Der Überschneidungsbereich befindet sich an den Stellen wo sich die Kreisbahn des einen Kolbens der einen Rotoreinheit mit der Kreisbahn des Kolbens der benachbarten Rotoreinheit schneiden. Durch das berührungslose Ineinanderkämmen der benachbarten Kolben treten im Betriebszustand so gut wie keine Reibungsverluste auf, was von großem Vorteil ist.The overlap area is located at the points where the circular path of the one piston of a rotor unit intersect with the circular path of the piston of the adjacent rotor unit. As a result of the non-contact meshing of the adjacent pistons, practically no friction losses occur in the operating state, which is of great advantage.
Mindestens ein Kolben der einen Scheibe wirkt als Arbeitskolben und mindestens ein Kolben der anderen Scheibe als Verschlusskolben. Der Verschlusskolben hat mindestens die gleiche Höhe wie der Arbeitskolben. Die Summe der Bogenmaßlänge zweier ineinanderkämmender Kolben entspricht dem Umfang eines Kreises mit dem Außenradius des Kolbens, der als Verschlusskolben wirkt, oder dem einer Bogenmaßlänge von 360°.At least one piston of a disc acts as a working piston and at least one piston of the other disc as a closure piston. The closure piston has at least the same height as the working piston. The sum of the radian length of two intermeshing pistons corresponds to the circumference of a circle with the outer radius of the piston, which acts as a closure piston, or a radian length of 360 °.
Bei einer Ausführung mit zwei Rotoreinheiten sind mindestens zwei Gehäusebauteile vorgesehen, in denen die beiden Rotoreinheiten drehbar angeordnet sind, derart dass die jeweiligen Scheiben in einer Ebene liegen und zueinander beabstandet sind.In an embodiment with two rotor units, at least two housing components are provided, in which the two rotor units are rotatably arranged, such that the respective disks lie in one plane and are spaced from one another.
Zwischen zwei benachbarten Gehäusebauteilen ist ein Zwischenring angeordnet, der bis in den Freiraum zwischen zwei spiegelsymmetrisch angeordneten Kolbenabschnltten einer Scheibe ragt.Between two adjacent housing components, an intermediate ring is arranged, which projects into the free space between two mirror-symmetrically arranged Kolbenabschnltten a disc.
Die Scheiben mit den ringförmigen Kolbenabschnitten sind in den Gehäusebauteilen so angeordnet, dass jeweils die Kolbenabschnitte zweier benachbarter Scheiben in einer ringförmigen Zylinderkammer rotieren und im Betriebszustand im Überschneidungsbereich zweier benachbarter ringförmiger Zylinderkammern berührungslos ineinanderkämmen. Die Gehäusebauteile besitzen einen Einlasskanal zum Ansaugen des Kraftstoff-Luft-Gemisches und einen Auslasskanal für die Abgase sowie eine Brennkammer, die mit der Zylinderkammer in Verbindung stehen. Die Brennkammer ist außerhalb des Kämmbereiches der Kolbenabschnitte angeordnet und besteht aus zwei symmetrischen Kammerabschnitten, die deckungsgleich in benachbarten Gehäusebauteilen angeordnet sind.The disks with the annular piston sections are arranged in the housing components such that in each case the piston sections of two adjacent disks rotate in an annular cylinder chamber and intermesh without contact in the operating state in the overlapping region of two adjacent annular cylinder chambers. The housing components have an inlet channel for the intake of the fuel-air mixture and an exhaust passage for the exhaust gases and a combustion chamber, which communicate with the cylinder chamber. The combustion chamber is arranged outside the combing region of the piston sections and consists of two symmetrical chamber sections, which are arranged congruently in adjacent housing components.
In bekannten Rotationskolben-Brennkraftmaschinen führt in der Regel eine unausgeglichene drehmomentaufnehmende Lagerung zu Problemen, aufgrund einer einseitigen Belastung der Rotorwelle des Rotors.In known rotary piston internal combustion engines usually results in an unbalanced torque receiving bearing problems due to a one-sided load on the rotor shaft of the rotor.
Die vorgeschlagene Lösung hinsichtlich der Anordnung spiegelsymmetrischer Kolbenabschnitte, die die Scheibe der Rotorwelle in radialer Richtung überragen, führt zur Kompensierung einer einseitigen radialen Belastung auf die Rotorwelle, entlang der radialen Achse, bzw. der Achse, die senkrecht zur Drehachse der Welle des Rotors ausgerichtet ist. Die radial wirkende Kraft Fr wird in zwei gleichgroße axiale Kräfte F1 und F2 transformiert bzw. zerlegt, die in gegenläufiger Richtung zueinander wirken, wobei F1 = F2. Beide Kräfte kompensieren sich auf den Stirnseiten der jeweiligen Rotorscheibe. Die Belastung auf der Rotorwelle wird somit durch zwei gegeneinander wirkende Kräfte aufgenommen. Dadurch ist es möglich, Rotationskolbenverbrennungsmotoren herzustellen, bei denen auf die Lagerstellen der Rotorwelle keine einseitige radiale und axiale Belastung wirkt. Dies führt zu weiteren anwendungstechnischen Vorteilen.The proposed solution with regard to the arrangement of mirror-symmetrical piston sections, which project beyond the disk of the rotor shaft in the radial direction, leads to the compensation of a one-sided radial load on the rotor shaft, along the radial axis, or the axis which is aligned perpendicular to the axis of rotation of the shaft of the rotor , The radially acting force Fr is transformed into two equal axial forces F1 and F2 acting in opposite directions, where F1 = F2. Both forces compensate each other on the front sides of the respective rotor disk. The load on the rotor shaft is thus absorbed by two opposing forces. This makes it possible to produce rotary piston internal combustion engines, in which acts on the bearing points of the rotor shaft no unilateral radial and axial load. This leads to further performance advantages.
Die Kolben einzelner Arbeits- und Steuer- und Verschlussscheiben können sich in der Differenz zwischen Außen- und Innenradius und/oder der Bogenmaßlänge und/oder in der Querschnittsform unterscheiden. Dies ist abhängig vom jeweiligen Motorkonzept.The pistons of individual working and control and closure disks may differ in the difference between outer and inner radius and / or the radian length and / or in the cross-sectional shape. This depends on the respective engine concept.
In einer Ebene angeordnete, benachbarte Scheiben können sich in ihrer Höhe und/oder Form der Mantelfläche unterscheiden.Adjacent disks arranged in one plane may differ in their height and / or shape of the lateral surface.
Zur synchronisierten Bewegung der Rotorwellen sind diese über ein Getriebe miteinander verbunden.For synchronized movement of the rotor shafts they are connected to each other via a gear.
In der Brennkammer ist eine Zündvorrichtung angeordnet, die über an der Arbeitsrotorwelle angeordnete Steuernocken betätigbar ist.In the combustion chamber, an ignition device is arranged, which is actuated by arranged on the working rotor shaft control cam.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist eine weitere, zweite Steuerrotoreinheit mit einer zweiten Steuerrotorwelle, auf der eine erste Steuerscheibe und eine zweite Steuerscheibe identischer Ausführung befestigt sind, vorgesehen. Jede Steuerscheibe ist mit einem Kolben ausgerüstet.According to a preferred embodiment, a further second control rotor unit is provided with a second control rotor shaft on which a first control disk and a second control disk of identical design are mounted. Each control disc is equipped with a piston.
Die andere, erste Steuerrotoreinheit besitzt zusätzlich noch zwei identische Steuerscheiben, eine erste Steuerscheibe und eine zweite Steuerscheibe, jeweils mit zugehörigen Steuerkolben. Die Steuerscheiben der zweiten Steuerrotoreinheit haben im Vergleich zu den Steuerscheiben der ersten Steuerrotoreinheit einen kleineren Außendurchmesser. Die Anordnung der Scheiben ist so, dass in der Arbeitsebene Arbeitskolben und Verschlusskolben, in der ersten Steuerebene die Kolbenabschnitte der benachbarten ersten Steuerscheiben und in der zweiten Steuerebene die Kolbenabschnitte der benachbarten zweiten Steuerscheiben berührungslos ineinanderkämmen. Die spiegelsymmetrisch zueinander angeordneten Kolbenabschnitte sind ebenfalls als Ringausschnitt bzw. ringförmiges Segment ausgeführt.The other, first control rotor unit additionally has two identical control disks, a first control disk and a second control disk, each with associated control piston. The control disks of the second control rotor unit have a smaller outer diameter compared to the control disks of the first control rotor unit. The arrangement of the discs is such that in the working plane working piston and closure piston, in the first control plane, the piston portions of the adjacent first control discs and in the second control plane, the piston portions of the adjacent second control discs mesh without contact. The mirror-symmetrically arranged piston sections are also designed as a ring cutout or annular segment.
In den Steuer- und Arbeitsebenen besitzen zwei benachbarte Gehäusebauteile jeweils zwei sich überschneidende kreisförmige Öffnungen, in denen die Kolbenabschnitte zwei benachbarter Arbeits- und Verschlussscheiben oder zwei benachbarter Steuerscheiben rotieren. Aufgrund der Überschneidung der im Durchmesser unterschiedlichen kreisförmigen Öffnungen entsteht eine Querschnittsfläche, deren äußere Kontur die Form einer Acht hat.In the control and working planes, two adjacent housing components each have two intersecting circular openings in which the piston sections of two adjacent work and closure disks or two adjacent control disks rotate. Due to the intersection of the circular openings of different diameter, a cross-sectional area is created whose outer contour has the shape of an eight.
In benachbarten Gehäusebauteilen ist in der die Öffnungen begrenzenden Wandung jeweils eine ringförmige Nut angeordnet, wobei in Einbaulage die ringförmigen Nuten zweier benachbarter Gehäusebauteile spiegelverkehrt angeordnet sind und die jeweilige ringförmige Zylinderkammer in den Steuer- und Arbeitsebenen bilden.In adjacent housing components, an annular groove is in each case arranged in the wall defining the openings, the annular grooves being in the installed position two adjacent housing components are arranged mirror-inverted and form the respective annular cylinder chamber in the control and working levels.
An einer oder mehreren Stirnseiten der Kolben der zweiten Steuerrotoreinheit sind vorzugsweise schmale Kanäle eingearbeitet, um eine Druckentlastung im Gehäuse zu bewirken.Narrow channels are preferably incorporated at one or more end faces of the pistons of the second control rotor unit in order to effect a pressure relief in the housing.
Für eine zusätzliche Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches können an der Mantelfläche der nach Innen zeigenden Kolbenabschnitte der zweiten Steuerrotoreinheit Nuten angeordnet werden. Zum Ausgleich von Gewichts- bzw. Masseunterschieden können an den nach außen zeigenden Kolbenabschnitten Bohrungen eingebracht werden. Erforderlichenfalls können die Steuerscheiben noch mittels Ausgleichsgewichten ausgewuchtet werden.For additional compression of the fuel-air mixture grooves can be arranged on the lateral surface of the inwardly facing piston sections of the second control rotor unit. To compensate for weight or mass differences can be introduced at the outwardly facing piston sections bores. If necessary, the control discs can still be balanced by means of balancing weights.
Aufgrund gegenläufiger Rotation der ringförmigen Kolbenabschnitte zweier benachbarter Scheiben einer Ebene verändert sich das Raumvolumen in der zugehörigen ringförmigen Zylinderkammer bzw. den ringförmigen Nuten zwischen zwei benachbarten gegenläufigen Kolbenabschnitten. Dies ist vor allem für den Arbeitstakt "Verdichten" erforderlich.Due to opposite rotation of the annular piston portions of two adjacent disks of a plane, the volume of space in the associated annular cylinder chamber or annular grooves between two adjacent opposite piston portions changes. This is especially necessary for the working cycle "compaction".
Die Brennkammer steht über Zuführungskanäle mit den ringförmigen Nuten in den Steuerebenen in Verbindung.The combustion chamber communicates via feed channels with the annular grooves in the control planes.
Die Arbeitstakte - Ansaugen - Verdichten - Arbeiten - Ausstoßen - erfolgen gleichzeitig, während einer Drehbewegung der Steuerrotoren um mindestens 360°. Dadurch kann im Vergleich zu konventionellen Verbrennungsmotoren die Literleistung des Motors deutlich erhöht werden.The working cycles - suction - compression - working - ejection - occur simultaneously, during a rotation of the control rotors by at least 360 °. As a result, the liter performance of the engine can be significantly increased compared to conventional internal combustion engines.
Mit dem vorgeschlagenen Drehkolbenmotor lassen sich bei wirtschaftlicher Bauweise sehr hohe Drehzahlen von bis zu 14.000 U/min und hohe Drehmomente erzielen.With the proposed rotary engine can be achieved in economic design very high speeds of up to 14,000 rev / min and high torques.
Im Vergleich zu konventionellen Motoren kann das Verdichtungsverhältnis um das bis zu 30-fache erhöht werden. Bei Benzin-Motoren kann der Kraftstoffverbrauch um bis zu 35% gesenkt werden.Compared to conventional engines, the compression ratio can be increased by up to 30 times. Gasoline engines can reduce fuel consumption by up to 35%.
Zwischen den rotierenden Kolben bzw. Kolbenabschnitten und der Wandung (Zylinderwand) der ringförmigen Zylinderkammer sind keine besonderen Maßnahmen, wie die Anordnung von Dichtungen, Abstreifringen oder Schmierung, erforderlich. Dadurch treten so gut wie keine Reibungsverluste auf. Der erfindungsgemäße Motor kann als Benzin-oder Dieselmotor oder als Gasmotor gefertigt werden.Between the rotating piston or piston sections and the wall (cylinder wall) of the annular cylinder chamber, no special measures, such as the arrangement of seals, wiper rings or lubrication required. As a result, virtually no friction losses occur. The engine according to the invention can be manufactured as a gasoline or diesel engine or as a gas engine.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
- Fig. 1
- einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor als Explosionsdarstellung,
- Fig. 2
- eine Draufsicht auf den Motor gemäß
Fig. 1 , - Fig. 3
- einen Schnitt gemäß der Linie A-A in
Fig. 2 ,
- Fig. 4
- einen Schnitt gemäß der Linie B-B in
Fig. 2 , - Fig. 5
- einen Schnitt gemäß der Linie C-C (Steuerebene) in
Fig. 3 , - Fig. 6
- einen Schnitt gemäß der Linie D-D (Arbeitsebene) in
Fig. 3 , - Fig. 7
- die Arbeitsrotoreinheit als Einzelteil,
- Fig. 8
- die erste Steuerrotoreinheit als Einzelteil,
- Fig. 9
- die zweite Steuerrotoreinheit als Einzelteil,
- Fig.10a bis 10c
- eine vereinfachte schematische Querschnittsdarstellungen von Steuerebene und Arbeitsebene bei unterschiedlichen Betriebszuständen,
- Fig. 11
- eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit zwei Rotoreinheiten in perspektivischer Darstellung,
- Fig. 12
- eine vereinfachte schematische Darstellung einer modularen Bauweise durch Steuerrotorerweiterung und
- Fig. 13
- eine vereinfachte schematische Darstellung einer modularen Bauweise durch Erweiterung von Arbeitsebenen und Steuerebenen.
- Fig. 1
- an internal combustion engine according to the invention as an exploded view,
- Fig. 2
- a plan view of the engine according to
Fig. 1 . - Fig. 3
- a section along the line AA in
Fig. 2 .
- Fig. 4
- a section along the line BB in
Fig. 2 . - Fig. 5
- a section along the line CC (control plane) in
Fig. 3 . - Fig. 6
- a section along the line DD (working plane) in
Fig. 3 . - Fig. 7
- the work rotor unit as an individual part,
- Fig. 8
- the first control rotor unit as a single part,
- Fig. 9
- the second control rotor unit as a single part,
- Fig.10a to 10c
- a simplified schematic cross-sectional representations of the control plane and working plane under different operating conditions,
- Fig. 11
- 2 shows a further embodiment variant of an internal combustion engine according to the invention with two rotor units in perspective view,
- Fig. 12
- a simplified schematic representation of a modular design by Steuererrotorerweiterung and
- Fig. 13
- a simplified schematic representation of a modular design by extension of working levels and control levels.
Der in
Der Verbrennungsmotor besteht aus drei parallel zu einander ausgerichteten Rotoreinheiten, einer ersten Steuerrotoreinheit 20 (
Die einzelnen Rotoreinheiten unterscheiden sich in ihrem Aufbau. Auf der Steuerrotorwelle 21 der ersten Steuerrotoreinheit 20 (
Die an den Stirnseiten einer Scheibe spiegelsymmetrisch angeordneten identischen ringförmigen Kolbenabschnitte bilden in ihrer Funktion jeweils einen Kolben und werden deshalb auch als ringförmige Steuerkolben 22a und 23a sowie 32a und 33a und als ringförmiger Verschlusskolben 24a bezeichnet, wie insbesondere in
In den Gehäusebauteilen sind ringförmige Nuten 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b angeordnet, in denen die an den Scheiben fest angeordneten ringförmigen Kolbenabschnitte rotieren. Die kreisförmigen Nuten zweier benachbarter Gehäusebauteile bilden eine umlaufende ringförmige Zylinderkammer 7, 8, 9 (
Die in den Gehäusebauteilen vorgesehenen ringförmigen Nuten 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b (
Die ringförmigen Kolben der einzelnen Scheiben, Arbeitsscheibe, Verschlussscheibe und Steuerscheiben, können sich in der Breite (Differenz zwischen Außen- und Innenradius), der Bogenmaßlänge, der Höhe und der Querschnittsform unterscheiden. Der radiale Überstand eines Kolbens ist, bezogen auf seine Bogenmaßlänge konstant.The annular pistons of the individual disks, working disk, shutter disk and control disks, may differ in width (difference between outer and inner radius), the Bogenmaßlänge, the height and the cross-sectional shape. The radial projection of a piston is constant with respect to its radian length.
In einer Ebene liegende, benachbarte Kolben können sich in ihrer Breite (der Differenz zwischen Innen- und Außendurchmesser) und/oder in ihrer Bogenmaßlänge unterscheiden.In-plane, adjacent pistons may differ in their width (the difference between inner and outer diameters) and / or in their radian gauge length.
Gegenüberliegend zu den Kolbenabschnitten 22b, 23b, 24b der beiden Steuerscheiben 22, 23 und der Verschlussscheibe 24 der ersten Steuerrotoreinheit 20 (
Die zweite Steuerrotoreinheit 30 (
Die Außendurchmesser dieser Steuerscheiben 32 und 33 sind gleich, aber Kleiner als der Außendurchmesser der beiden Steuerscheiben 22 und 23 der ersten Steuerrotoreinheit 20, um das erforderliche Kompressionsvolumen zu realisieren und die Ansaugzeiten zu regeln. Auf jeder Stirnseite der Steuerscheiben 32 und 33 ist ebenfalls ein ringförmiger, radial überstehender Kolbenabschnitt 32b und 33b angeordnet. Aufgrund seiner Bogenmaßlänge wird dieser nicht als Ringausschnitt sondern als ringförmiges Segment bezeichnet.The outer diameters of these
Im gezeigten Beispiel besitzt das jeweilige ringförmige Segment eine Bogenmaßlänge, die um den Betrag größer ist als die Bogenmaßlänge des benachbarten Kolbenabschnittes 22b, 23b der ersten Steuerrotoreinheit 20. Demzufolge beträgt die Summe der Bogenmaßlängen der Kolbenabschnitte 22b und 32b bzw. 23b und 33b jeweils 360° (
Die beiden deckungsgleichen Kolbenabschnitte einer Steuerscheibe 32 bzw. 33 bilden in ihrer Funktion einen ringförmigen Steuerkolben 32a bzw. 33a.The two congruent piston portions of a
Die Kolbenabschnitte 32b, 33b der beiden Steuerkolben 32a, 33a der zweiten Steuerrotoreinheit 30 (
An den nach innen zeigenden Kolbenabschnitten 32b, 33b sind im Bereich der Mantelfläche Nuten 35 eingearbeitet, um die Verdichtung zu erhöhen. Außerdem sind an der Mantelfläche der nach außen zeigenden Kolbenabschnitte 32b, 33b Bohrungen 36 vorgesehen, um gegebenenfalls Gewichtsunterschiede der Kolbenabschnitte ausgleichen zu können.At the inwardly facing
Die beiden Steuerscheiben 32, 33 sind an sich identisch ausgeführt und unterscheiden sich lediglich durch die Lage der Nuten 35 und Bohrungen 36.The two
Um einen möglichst genauen Rundlauf der Steuerscheiben 32, 33 zu gewährleisten und unerwünschte Schwingungen zu vermeiden, werden diese mittels Ausgleichsgewichten 32c, 33c ausgewuchtet.To ensure the most accurate concentricity of the
Die Arbeitsrotoreinheit 40 ist als Einzelteil in
Der Durchmesser der Arbeitsscheibe 42 ist abhängig von der Leistung und dem Einsatzzweck des Motors. Auf der Scheibe 42 sind an beiden Stirnseiten, jeweils um 180° versetzt, zwei ringförmige Kolbenabschnitte 42b gleicher Bogenmaßlänge angeordnet, wobei die vier Kolbenabschnitte 42b zwei Arbeitskolben 42a bilden. Die Seitenflächen 42c der Kolbenabschnitte bilden im Betriebszustand, wenn diese In der ringförmigen Zylinderkammer 8 rotieren, die Wirkungsfläche. In Analogie zu einer herkömmlichen Kolben-ZylinderEinheit handelt es sich dabei um den Kolbenboden.The diameter of the working
Durch die gegenüberliegende Anordnung identischer Kolbenabschnitte auf jeder Stirnseite ist die Symmetrie der Arbeitsscheibe 42 ohne zusätzliche Ausgleichsmaßnahmen gewährleistet.Due to the opposite arrangement of identical piston sections on each end face, the symmetry of the working
Die Steuerrotoreinheiten 20 und 30 sowie die Arbeitsrotoreinheit 40 sind in entsprechenden Gehäusebauteilen 1, 2, 3, 4 angeordnet (
Zwischen den einzelnen Gehäusebauteilen sind jeweils mehrteilige Zwischenringe 5, 6 angeordnet, wobei in der
Die Gehäusebauteile 1, 2, 3, 4 sind konstruktiv so ausgelegt, dass die auf den Steuerscheiben 22, 23 der ersten Steuerrotoreinheit 20 angeordneten Ausgleichsgewichte 22c, 23c und die auf den Steuerscheiben 32, 33 der zweiten Steuerrotoreinheit 30 angeordneten Ausgleichsgewichte 32c, 33c sowie die auf der Verschlussscheibe 24 angeordneten Ausgleichsgewichte 24c durch eine umlaufende Gehäuseinnenwand von den Kolbenabschnitten getrennt sind, wie in den
Wie in
In den Gehäusebauteilen sind in den beiden Steuerebenen S1 und S2 sowie in der Arbeitsebene A jeweils zwei sich überschneidende kreisförmige Öffnungen vorgesehen, in denen die auf den Scheiben der Rotorwellen angeordneten Kolbenabschnitte ineinanderkämmend rotieren. In jeder der drei Ebenen S1, A und S2 befinden sich zwei sich überschneidende kreisförmige Öffnungen, die in etwa eine achtförmige Querschnittsfläche bilden. Die Mittelpunkte der zwei kreisförmigen Öffnungen liegen in den drei Ebenen jeweils auf einer gemeinsamen Mittelachse, die zugleich die Drehachse für die jeweilige Rotorwelle 21, 31, 42 ist (
In der die Zylinderräume begrenzenden Wandung der Gehäusebauteile sind ringförmige Ausnehmungen bzw. Nuten eingearbeitet, wobei jeweils die aneinandergrenzenden Nuten 7a und 7b, 8a und 8b sowie 9a und 9b zweier benachbarter Gehäusebauteile ringförmige Zylinderkammern 7, 8, 9 bilden, wie insbesondere in
In den ringförmigen Zylinderkammern 7, 8, 9 rotieren die auf den zugehörigen Scheiben angeordneten ringförmigen Kolbenabschnitte bzw. Kolben, wobei diese im Überschneidungsbereich ineinanderkämmen In der Zylinderkammer 7 (
In der Arbeitsebene A sind in den benachbarten Gehäusebauteilen 2 und 3 jeweils deckungsgleich identische Hohlräume vorgesehen, die die Brennkammer 18 (
Die ringförmigen Zylinderkammern 7 und 9 in den beiden Steuerebenen S1 und S2 stehen über Zuführungskanäle 18a mit der Brennkammer 18 in Verbindung (
Zur Auslösung des Zündvorganges ist in der Brennkammer eine Zündvorrichtung 19 (
In der ersten Steuerebene S1 steht im Zylinderraum 7 der Steuerkolben 22a der ersten Steuerscheibe 22 mit dem Steuerkolben 32a der ersten Steuerscheibe 32 der zweiten Steuerrotoreinheit 30 in einem Wirkungszusammenhang.In the first control plane S1 is in the
In der Arbeitsebene A steht im Zylinderraum 8 der Arbeitskolben 42a der Arbeitsscheibe 42 mit dem Verschlusskolben 24a der Verschlussscheibe 24 der ersten Steuerrotoreinheit 20 in Wirkungszusammenhang.In the working plane A is in the
In der zweiten Steuerebene S2 steht im Zylinderraum 9 der Steuerkolben 23a der zweiten Steuerscheibe 23 der ersten Steuerrotoreinheit 20 mit dem Steuerkolben 33a der zweiten Steuerscheibe 33 der zweiten Steuerrotoreinheit 30 in einem Wirkungszusammenhang. An den freien Enden der Wellen 21, 31 und 41, die aus dem ersten Gehäusebauteil 1 hervorstehen, ist jeweils ein Zahnrad befestigt, an der ersten Steuerrotorwelle 21 das Zahnrad 25, an der zweiten Steuerrotorwelle 31 das Zahnrad 37 und an der Arbeitsrotorwelle 41 das Zahnrad 43. Die drei Zahnräder 25, 37 und 43 greifen ineinander und bilden ein Getriebe, über das die Drehbewegungen der drei Wellen 21, 31, 41 synchronisiert werden. Über die Arbeitsrotorwelle 41 wird das durch den Arbeitstakt erzeugte Drehmoment über das Zahnradgetriebe 25, 37, 43 auf die beiden Steuerrotorwellen 21 und 31 übertragen. Das Zahnradgetriebe ist so ausgelegt, dass sich die Arbeitsrotorwelle 41 zu den beiden Steuerrotorwellen 21 und 31 im Verhältnis 1:2 dreht. Die beiden Steuerrotorwellen drehen sich zueinander im Verhältnis 1:1. Am Wellenende der Arbeitswelle 41 ist an der Zahnradseite ein Steuernocken 44 angeordnet, der die Steuerung der Zündzeitpunkte übernimmt.In the second control plane S2, the
Die drei rotierbaren Wellen 21, 31 und 41 sind in entsprechenden Zylinderrollenlagern 10 gelagert, wobei für jede Welle zwei Lagerstellen vorgesehen sind. Die Lagerstellen für die Steuerrotorwellen 21 und 31 sind jeweils im ersten und vierten Gehäusebauteil 1, 4 vorgesehen. Die beiden Lagerstellen für die Arbeitsrotorwelle 41 befinden sich im zweiten und dritten Gehäusebauteil 2, 3.The three
In den Gehäusebauteilen 1 und 2 befinden sich jeweils eine Einlassöffnung 11, die in einen Einlasskanal 12 münden. In analoger Weise befinden sich auch in den Gehäusebauteilen 3 und 4 je eine Einlassöffnung 13, die in einen Einlasskanal 14 übergehen. Über die Einlassöffnungen wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt.In the
Radial versetzt zu den Einlassöffnungen sind in den Gehäusebauteilen 2 und 3 Auslassöffnung 15, 16, die mit einem Auslasskanal 17 für das gebildete Abgas in Verbindung stehen.Radially offset from the inlet openings are in the
Die Steuer- und Arbeitsscheiben sowie Zahnräder werden beispielsweise mittels Keilwellenverbindungen auf der jeweiligen Welle befestigt und mittels an sich bekannter Mittel gegen Verdrehen gesichert.The control and working wheels and gears are attached, for example by means of splined connections on the respective shaft and secured by means known per se against rotation.
In den Gehäusebauteilen befinden sich in der Arbeitsebene A noch in der Zeichnung nicht zu sehende Druckausgleichskanäle, um den Druck, der während der Verbrennung auf die Mantelfläche des Brennraumverschlusskolbens 24a wirkt, auch gleichmäßig auf die Innenseite dieses Kolbens wirken zu lassen. Dadurch kann die radiale Belastung auf die erste Steuerrotorwelle 21 verringert werden.In the housing components are located in the working plane A not visible in the drawing pressure equalization channels to let the pressure acting during combustion on the outer surface of the combustion
Die ringförmigen Nuten und die in diesen rotierenden Kolbenabschnitte besitzen die gleiche Querschnittsform. Als Querschnittsform wird aus fertigungstechnischen Gründen die Rechteckform bevorzugt. Geeignet sind jedoch auch andere Querschnittsformen, wie z.B. rund oder oval.The annular grooves and in these rotating piston sections have the same cross-sectional shape. As a cross-sectional shape, the rectangular shape is preferred for manufacturing reasons. However, other cross-sectional shapes are also suitable, e.g. round or oval.
Die Arbeitsweise des Motors wird nachfolgend, insbesondere unter Bezugnahme auf die
Die sich aufgrund der gegenläufigen Rotation der Kolben in ihrem Volumen veränderbaren Abschnitte bzw. Arbeitsräume der Zylinderkammern 7 und 8 im Bereich der Steuerebene S1 und der Arbeitsebene S1 sind in den
Über das Startsystem des Motors werden die drei Rotorwellen 21, 31 und 41 in Rotation versetzt, wobei über das mit den Rotorwellen verbundene Zahnradgetriebe 25, 37, 43 die Rotorwellen 21 und 31 in entgegengesetzter Richtung und die Arbeitsrotorwelle 41 in gleicher Drehrichtung wie die Rotorwelle 31 der zweiten Steuerrotoreinheit 30 rotieren, wobei die Drehrichtungen durch Pfeile gekennzeichnet sind (
Die Arbeitsrotorwelle 41 rotiert zu den beiden Steuerrotorwellen 21 und 31 im Verhältnis 1:2 und die beiden Steuerrotorwellen 21 und 31 im Verhältnis 1:1.The working
In der in
Zu gleicher Zeit befindet sich in der Brennkammer 18 (Arbeitsebene A) bereits verdichtetes Kraftstoff-Luft-Gemisch aus dem vorvorhergehenden Ansaugvorgang. Während die Arbeitsschritte Ansaugen und Vorverdichten in den Steuerebenen S1, S2 erfolgen, gibt der Arbeitskolben 42a die Öffnung zur Brennkammer 18 auf der Arbeitsebene A frei. Das bereits verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch beginnt aus der Brennkammer 18 in die ringförmige Zylinderkammer 8 der Arbeitsebene zu strömen. Gleichzeitig wird die Zündung über den Steuernocken 44 und die Zündvorrichtung 19 ausgelöst. Das expandierende Gasgemisch wirkt auf die in unmittelbarer Nähe zur Brennkammer befindliche Seitenfläche 42c des Arbeitskolbens 42a, und versetzt somit die Arbeitsrotorwelle 41, die zugleich Abtriebswelle ist, in Rotation. Über das Zahnradgetriebe werden die beiden anderen Rotorwellen 21, 31 synchronisiert und in Rotation versetzt. Das Drehmoment wird über die Arbeitsrotorwelle 41 an der Kupplung zur Verfügung gestellt. Über die ausgelöste Drehbewegung der Rotorwellen verschließt der Verschlusskolben 24a die ringförmige Zylinderkammer 8 im Überschneidungsbereich. Aufgrund der Drehbewegung des Steuerkolbens 32a der zweiten Steuerrotoreinheit 30 (
In der
Außerdem gehört zu dieser Ausführungsvariante eine Steuerrotoreinheit 20 mit einer Steuerrotorwelle 21 und einer Verschlussscheibe 24 mit Verschlusskolben, wobei nur der obere ringförmige Kolbenabschnitt 24b zu sehen ist. Die Arbeitsscheibe 42 und die Verschlussscheibe 24 liegen in einer Ebene, wobei die zugehörigen ringförmigen Kolbenabschnitte 42b und 24b ineinanderkämmen.In addition, this embodiment includes a
Die zugehörige ringförmige Zylinderkammer 8, in der die beiden Kolbenabschnitte 42b und 24b gegenläufig rotieren, ist analog wie in der vorhergehenden Variante gemäß
Bei dieser Ausführungsvariante gibt es nur eine ringförmige Zylinderkammer 8, in der alle vier Arbeitstakte erfolgen. Der rotierende Verschlusskolben 24a, bestehend aus den beiden auf der Steuer- bzw. Verschlussscheibe 24 angeordneten ringförmigen Kolbenabschnitten 24b, führt während einer Drehbewegung um 360° drei Funktionen aus, er saugt Kraftstoff-Luft-Gemisch durch den Einlasskanal 12 an, komprimiert es mit seiner in Drehrichtung zeigenden Seitenfläche, und gelangt aufgrund der Drehbewegung mit seiner Mantelfläche in den Überschneidungsbereich und verschließt dabei die ringförmige Zylinderkammer 8. Durch den nachfolgend ausgelösten Zündvorgang des in der Brennkammer 18 komprimierten Kraftstoff-Luft-Gemisches wird über den Kolben 42a die Rotation der Abtriebswelle 41 bewirkt. Über das Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 43 und 25 erfolgt die Drehbewegung der Steuerrotorwelle 21 für den nächsten Arbeitszyklus. Der erfindungsgemäße Motor kann in verschiedenen Ausführungsformen und Baugrößen, ähnlich den bekannten Motoren mit Hubbewegung wie z.B. Reihenmotor, V-Motor, BoxerMotor, VR Motor, W-Motor, etc., hergestellt werden.In this embodiment, there is only one
In seiner Arbeitsweise kann der Motor auch als Explosionsmotor betrieben werden. Ausgehend von gewünschten Motorkonzepten hinsichtlich Leistung und Einsatzzweck ist dieser modular aufgebaut und kann durch Anbindung mehrerer Arbeits- und Steuerebenen oder durch Vergrößerung der Anzahl an Arbeits- und Steuerrotoren, auch als Kombination, beliebig erweitert werden.In its mode of operation, the motor can also be operated as an explosion engine. Based on the desired engine concepts in terms of performance and intended use, this has a modular design and can be expanded as required by connecting several working and control levels or by increasing the number of working and control rotors, even as a combination.
Ein Arbeitsrotor besitzt eine Arbeitsscheibe mit bis zu zehn Arbeitskolben, wobei jeder Kolben aus zwei identischen deckungsgleich angeordneten Kolbenabschnitten besteht. Die Arbeitskolben verteilen sich gleichmäßig auf eine Bogenmaßlänge von 360°. Bevorzugt sind Ausführungen mit bis zu sieben Arbeitskolben, da hinsichtlich Literleistung die Obergrenze erreicht ist.A work rotor has a working disk with up to ten working pistons, each piston consisting of two identical congruently arranged piston sections. The working pistons distribute themselves evenly over a radian length of 360 °. Embodiments with up to seven working pistons are preferred since the upper limit is reached in terms of liter capacity.
Der Steuerrotor mit Verschlussscheibe und Steuerrotor mit Steuerscheiben bilden eine Paarung, die beliebig kreisförmig und abhängig von der Zahl der Arbeitskolben um den Arbeitsrotor angeordnet werden kann, in ähnlicher Bauweise wie in
Je nach Anzahl der Arbeitskolben ist die Anzahl der Verschlusskolben begrenzt, da die Summe der Bogenmaßlänge beider Arbeits- und Verschlusskolben der Arbeitsebene innerhalb einer Umdrehung mit mindestens zwei Arbeitstakten 360° nicht übersteigen darf.Depending on the number of working piston, the number of closure piston is limited, since the sum of the radian length of both working and closing piston working plane within a revolution with at least two working cycles must not exceed 360 °.
Die in
Beide Steuerrotoreinheiten der Variante gemäß
Dies ist möglich, da die Funktion der Steuerkolben in den Steuerebenen darin besteht, Kraftstoff-Luft-Gemisch anzusaugen und zu verdichten. Der Verschlusskolben einer Steuerrotoreinheit hat lediglich die Funktion, die Zylinderkammer im Überschneidungsbereich der Kolben der Arbeitsebene zu verschließen, wodurch zwei Arbeitskammerabschnitte entstehen.This is possible because the function of the control piston in the control levels is to suck and compress fuel-air mixture. The closure piston of a control rotor unit has only the function to close the cylinder chamber in the overlapping region of the pistons of the working plane, whereby two working chamber sections arise.
In den
Gemäß
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