EP4299878A1 - Monoblock rotary motor - Google Patents

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Publication number
EP4299878A1
EP4299878A1 EP22181545.9A EP22181545A EP4299878A1 EP 4299878 A1 EP4299878 A1 EP 4299878A1 EP 22181545 A EP22181545 A EP 22181545A EP 4299878 A1 EP4299878 A1 EP 4299878A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
piston
monoblock
receiving space
side surfaces
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22181545.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reinhard Wollherr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tv Design U Fs Produktions GmbH
Original Assignee
Tv Design U Fs Produktions GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tv Design U Fs Produktions GmbH filed Critical Tv Design U Fs Produktions GmbH
Priority to EP22181545.9A priority Critical patent/EP4299878A1/en
Priority to PCT/EP2023/067635 priority patent/WO2024003129A1/en
Publication of EP4299878A1 publication Critical patent/EP4299878A1/en
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/06Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/08Plants characterised by the engines using gaseous fuel generated in the plant from solid fuel, e.g. wood
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B75/22Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement
    • F02B75/222Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement with cylinders in star arrangement
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B1/00Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements
    • F01B1/06Reciprocating-piston machines or engines characterised by number or relative disposition of cylinders or by being built-up from separate cylinder-crankcase elements with cylinders in star or fan arrangement
    • F01B1/0641Details, component parts specially adapted for such machines
    • F01B1/0648Cams

Definitions

  • the invention relates to a monoblock rotary engine.
  • Internal combustion engines such as those used to drive vehicles such as automobiles, or as independent drive units, are predominantly designed as reciprocating piston engines.
  • a piston arranged in a piston bore carries out a translational movement with a lower and an upper dead center.
  • engines that operate on the Otto principle and the diesel principle. What both principles have in common is that an ignitable mixture is generated in a combustion chamber and compressed by the movement of the piston. The compressed ignitable mixture is then ignited. When the ignitable mixture is burned, the pressure in the combustion chamber increases, causing the piston to move in the opposite direction. The translational movement of the piston is converted into a rotational movement via the crankshaft, which can then be used to drive a vehicle, for example.
  • a translational movement is usually not usable for the continuous operation of devices, but must first be converted into a rotational movement.
  • a great deal of mechanical effort is required to convert the translational movement of the piston into a rotational movement.
  • the up and down movement of the pistons creates mass forces that must be balanced. This is done using balancing weights that, for example, rotate in the opposite direction to the movement of the piston.
  • the arrangement of the cylinders can compensate for the mass forces. In a boxer engine, the mass forces cancel each other out.
  • the pistons are moved in a defined sequence at a time offset from one another in order to balance the mass forces and ensure that the engine runs very smoothly. Reciprocating engines have been known for more than 100 years, so there is a lot of experience in their design.
  • Wankel engine With the Wankel engine, whose basic mode of operation is in the DE 952903 As described, rotating rotors are used to convert the energy released during combustion of an ignitable mixture into a rotational movement. Wankel engines are characterized by very smooth running, as only very low mass forces are generated by the movement of an eccentric. Furthermore, the Wankel engine requires significantly fewer moving parts than a reciprocating piston engine and can be designed to be very compact. The disadvantages of the Wankel engine are its high consumption and the sealing of the combustion chambers.
  • the invention was based on the object of providing a motor that is very simple, has a compact structure and in which a rotational movement is generated in a simple manner.
  • the monoblock rotary motor essentially consists of an engine block with a receiving space in which a rotor rotates over the axis of which a rotational movement can be recorded.
  • Pistons are provided in the rotor, which carry out an up and down movement, i.e. a translational movement, in piston bores arranged symmetrically opposite one another.
  • the pistons are supported at one end on the wall of the receiving space.
  • the receiving space has an elliptical surface, the curvature of which the piston follows with its adjacent end. In this way, the translational movement of the piston can be easily converted into a rotational movement of the rotor.
  • the monoblock rotary engine initially includes an engine block.
  • This engine block is made of a suitable material that can withstand the forces that occur and is sufficiently thermally resistant. Materials that are known from engine construction can be used, i.e. cast materials such as iron or steel or aluminum. However, other materials are also suitable, such as ceramic or carbon-ceramic materials.
  • the walk-behind tractor can be made massive. However, according to one embodiment, it is also possible to design the engine block in such a way that cavities or recesses are provided, so that material or weight savings can be achieved.
  • the engine block can be traversed by cooling lines to dissipate the heat released when the fuel is burned.
  • lubricating devices for lubricating bearings and channels for supplying the lubricating devices can be provided.
  • the engine block includes a receiving space for a rotor.
  • the receiving space comprises two side surfaces arranged on opposite sides of the receiving space, in the center of which a receptacle for a rotor axis of the rotor is provided.
  • the side surfaces can be flat and arranged parallel to one another. But it is also possible to provide the side surfaces with a curvature. The curvature is then designed so that it is rotationally symmetrical to the axle mount, so that rotation of the rotor accommodated in the receiving space is possible.
  • the side surfaces have an elliptical circumference.
  • Openings are also provided in the side surfaces, into which channels open, which serve to supply a fuel gas or to remove an exhaust gas produced after the combustion of the fuel gas.
  • the channels are led through the engine block to the outside and, in the case of the exhaust gas, open into an exhaust pipe with which the exhaust gas is released into the environment and, in the case of the fuel gas, into a device in which the fuel gas is provided.
  • Fuel gas is understood to mean a gaseous mixture of an oxygen-containing gas, for example air, and a gaseous fuel.
  • a device in which the fuel gas is provided can, for example, be an injection with which liquid fuel is finely distributed in an air stream so that rapid evaporation occurs and an ignitable fuel gas is obtained. It is also possible to use a carburetor in which air and liquid fuel are mixed to produce a fuel gas. If a gaseous fuel is used, such as natural gas or hydrogen gas, the fuel is mixed with air. For this purpose, for example, a swirl chamber can be provided in which the gaseous fuel and air are swirled.
  • the openings for supplying the fuel gas and discharging the exhaust gas can be arranged on the same side surface of the receiving space. However, it is also possible to arrange one of the openings on one side surface and the other opening on the opposite side surface.
  • an ignition is provided with which the fuel gas can be ignited.
  • the ignition is in a recess of the Engine block arranged, which ends with the side surface and extends into the engine block.
  • an antechamber in which an injector for supplying the fuel gas and an ignition, for example in the form of a spark plug, is provided. Ignition then takes place in the antechamber and the flame front then spreads into the combustion chamber filled with fuel gas.
  • nozzle-shaped openings can be provided at one end of the antechamber, with which fan-shaped plasma jets can be generated, which open into an ignition channel which is connected to the combustion chamber.
  • Openings for supplying the fuel gas and for discharging the exhaust gas and ignition are preferably arranged at the tips of a right-angled triangle, with the hypotenuse running between the inlet opening and the ignition and the outlet opening being arranged at the tip of the triangle.
  • inlet and outlet openings as well as ignition are arranged at the corners of an isosceles triangle, with the base running between the outlet opening and inlet opening and the ignition being arranged at the tip of the triangle.
  • the openings are arranged so that when the rotor rotates, they coincide with the openings provided in the rotor for the inlet of the fuel gas or the outlet of the exhaust gas or the ignition.
  • the two side surfaces of the receiving space are connected by a circulation surface.
  • the circulation area is essentially arranged perpendicular to the side surfaces.
  • the circumferential surface has a curvature in a direction parallel to the side surfaces, preferably the curvature of an ellipse.
  • the curvature of the circulating surface corresponds to the movement of a piston that it carries out in the piston bore during one revolution of the rotor.
  • the circle as its special shape is completely symmetrical with the rotor axis at the intersection of the long and short axes as the basis for complete mass balance in rotation.
  • the circulation area can be flat. However, according to one embodiment, it is also possible to design the circumferential surface with a profile or a curvature perpendicular to the circumference of the circumferential surface.
  • the curvature of the circulating surface corresponds at least in sections to the profile of a contact surface at one end of the piston, which is arranged in the rotor and carries out a translational movement. In this way, the piston can be guided and forces that can occur perpendicular to the direction of rotation of the rotor can be absorbed.
  • the sliding friction that occurs between the piston end and the circulating surface can be replaced by reduced rolling friction by a bearing ball on or in the piston end.
  • the recording space can be of any size.
  • the dimension is determined by the intended use of the monoblock rotary motor, i.e. by the power that is to be provided by the monoblock rotary motor.
  • the available power is determined, among other things, by the size of the combustion chambers or the size of the piston bores in which the freely movable pistons are accommodated.
  • the receiving space measured in the direction of the longer axis of the ellipse, has a length in the range of 400 to 450 mm, according to another Embodiment in the range of 500 to 550 mm and according to yet another embodiment a length in the range of 600 to 650 mm.
  • the receiving space measured in the direction of the shorter axis of the ellipse has an extent in the range from 500 to 550 mm, according to a further embodiment an extent in the range from 400 to 450 mm and according to yet another embodiment an extent in the range from 300 to 350 mm.
  • the difference in expansion in the direction of the longer and shorter axes of the ellipse corresponds to the stroke of the freely movable pistons arranged in the rotor.
  • the extent of the receiving space in a direction perpendicular to the side walls i.e. in the direction of the axis of a rotor accommodated in the receiving space, essentially corresponds to the width of the rotor.
  • the receiving space has an extent in the direction perpendicular to the side walls in the range of 310 to 360 mm, according to a further embodiment in the range of 250 to 300 mm, and according to yet another embodiment an extent in the range of 170 to 220 mm .
  • the receiving space can be open to the outside of the engine block, so that pressure equalization between the receiving space and the environment is possible. In this way, excess pressure that builds up in a closed recording space, for example due to temperature changes, can easily be avoided.
  • corresponding holes can be provided in the engine block, which lead to expansion tanks or are connected to the environment.
  • a particularly small, compact embodiment of the engine can be connected to a hydrostatic accumulator via a hydraulic pump.
  • the hydrostatic accumulator can in turn be connected to a drive and braking system that has hydraulic wheel motors for the drive.
  • the hydraulic wheel motors work as hydraulic pumps, so that almost all of the braking energy can be recuperated in the hydrostatic accumulator.
  • the engine can then work at a constant speed and constant torque at the best point, intermittently without load changes, and recharge the hydrostatic accumulator as required.
  • Modern hydraulic motors achieve efficiencies of 97 percent and can be controlled much more easily than electric motors using hydraulic transformers, while at the same time having a higher power density, which enables them to be used as wheel hub motors on all four wheels while reducing the unsprung masses compared to a conventional braking system.
  • the compact, lightweight design of the engine can preferably be combined with a hydrogen-solid-state removable storage system.
  • a rotor is accommodated in the receiving space of the engine block and can carry out a rotational movement about its axis in the receiving space.
  • the rotor is designed to be rotationally symmetrical about its axis and, according to a preferred embodiment, has the shape of a disk.
  • the rotor can be solid, i.e. constructed entirely from a suitable material.
  • suitable materials are materials known from engine construction, such as steel or aluminum.
  • Ceramic materials, for example, are also suitable, in particular ceramic materials that have low thermal expansion and carbon ceramic materials with self-lubricating properties for dry running.
  • the rotor can also have recesses, bores or cavities in its interior to save weight.
  • the rotor is dimensioned so that it can be accommodated in the recording room. Its width, i.e. the extent in the direction of the rotor axis, is essentially determined by the dimensions of the cylinder bores that are made in the rotor.
  • the wall thickness of the cylinder bore is preferably chosen so that sufficient stability is ensured at the thinnest point in order to be able to absorb the forces that occur during operation of the monoblock rotary engine.
  • the width of the rotor is selected so that the rotor rests with its side surfaces on the side surfaces of the receiving space.
  • a gap into which lubricant or coolant can be introduced can be provided between the side surfaces of the rotor and the side surfaces of the receiving space.
  • the diameter of the rotor i.e. its extent perpendicular to the rotor axis, is chosen to be smaller than the shorter axis of the ellipse, which describes the curvature of the circumferential surface of the receiving space in the engine block.
  • the diameter of the rotor is chosen to be smaller than the shorter axis of the ellipse. According to one embodiment, the diameter of the rotor is 5 to 10% smaller than the shorter axis of the ellipse, according to another embodiment, 7 to 15% shorter than the shorter axis of the ellipse, and according to yet another embodiment, 8 to 20% shorter as the shorter axis of the ellipse.
  • Pistons are accommodated in the piston bores of the rotor, which carry out a translational movement, with a bottom dead center at which the piston is at the shortest distance from the rotor axis, and a top dead center at which the piston is at the greatest distance from the rotor axis.
  • the diameter of the rotor is chosen so that the piston is guided securely in the piston bore at top dead center.
  • the side surfaces of the rotor are connected by a peripheral surface.
  • the peripheral area corresponds to the circumference of the rotor. It is arranged essentially parallel to the rotor axis. It is designed to be rotationally symmetrical, so that a uniform rotation of the rotor is achieved.
  • the peripheral surface has a circular curvature in the direction of rotation.
  • the peripheral surface can also have a profile in the direction of rotation, for example a wave profile.
  • the peripheral surface can be flat perpendicular to the direction of rotation.
  • the peripheral surface can also have a profile perpendicular to the direction of rotation.
  • the peripheral surface can have a curvature perpendicular to the direction of rotation, for example a circular or a parabolic curvature.
  • a rotation axis is provided centrally in the side surfaces of the rotor and is accommodated in the axle mounts of the engine block.
  • the axis of rotation can be formed in one piece with the rotor. However, according to one embodiment, it is also possible to design the axis of rotation separately from the rotor and to fit the axis into a corresponding receiving opening in the rotor.
  • Bearings can be provided in the axle mount, for example rollers or ball bearings, so that the rotor rotates in the axle mount without significant friction.
  • the rotor can rotate evenly and has no imbalance.
  • At least one pair of piston bores arranged radially to the rotor axis is provided in the rotor.
  • the piston bores lie on a common axis which runs perpendicular to the axis of rotation through the center of the rotor.
  • the translational movement of the freely movable pistons accommodated in the piston bores then also takes place along this axis.
  • the mass forces that result from the movement of the pistons in the piston bores cancel out when the pistons move in opposite directions. This ensures that the engine runs very smoothly.
  • the axes of the piston bores, along which the translational movement of the pistons takes place are tilted relative to an axis that runs perpendicularly through the rotor axis and lies in the plane of rotation of the rotor. Only a small tilt angle is required.
  • the tilt angle included between the two axes is selected in a range from 0.1 to 10° according to one embodiment, in the range from 0.5 to 5° according to a further embodiment, and in the range from 1 to 4° according to yet another embodiment.
  • the piston bores are each arranged in pairs, so that there is an even number of piston bores.
  • two piston bores are provided.
  • the piston bores are arranged rotationally symmetrically to one another.
  • the piston bores have swapped places after a rotation of 180°.
  • piston bores are provided.
  • the rotor must be rotated through an angle of 90° in order to align the position of the piston bores. If 6 piston bores are provided in the rotor, the rotor must be rotated by an angle of 60°. It is also possible to provide an even higher number of piston bores, for example 8, 10, 12 or 16 piston bores.
  • a version with four radial piston bores halves the distance from piston center to piston center. This allows smooth running to be increased and the torque curve to become even more uniform. This effect increases with Use of an even higher number of piston bores and ensures extremely smooth running.
  • the piston bores can have a circular cross section. However, it is also possible to provide other cross sections, for example an oval cross section or an ellipsoidal cross section.
  • the piston bores each have a constant cross section, so that a piston accommodated in the piston bore can carry out a translational movement in a freely movable manner.
  • the cross section of the piston bore can change and, for example, taper.
  • the piston bore can taper at the end facing away from the axis of rotation.
  • the piston bores have an opening at the end facing away from the axis of rotation, i.e. on the side of the rotationally symmetrical peripheral surface.
  • the shape of the opening corresponds to the cross section of the piston accommodated in the piston bore.
  • the piston can thereby protrude beyond the peripheral surface of the rotor at the top dead center of the translational movement, i.e. when the piston is at the greatest distance from the axis of rotation of the rotor.
  • the opening is also possible to make the opening smaller than the cross section of the piston. This is advantageous, for example, if the piston has a tapered section on the side facing away from the axis of rotation of the rotor, which is guided through the opening.
  • the cross section of the opening then advantageously corresponds to the cross section of the tapered section.
  • the Support surface of the piston is arranged, with which the piston is supported on the circumferential surface of the receiving space arranged in the engine block.
  • the piston bore has an opening at an end section facing the axis of rotation, which leads to a channel which establishes a connection to an opening in the side surface of the rotor.
  • the opening provided in the piston bore is arranged in such a way that it is not closed by the piston when the piston arranged in the piston bore is at its bottom dead center, i.e. at the smallest distance from the axis of rotation.
  • the opening may be arranged in the side wall of the piston bore or in the terminal surface of the piston bore which is arranged on the side of the rotation axis.
  • connection opening arranged in the side wall of the rotor which is connected by a channel to the opening in the wall of the piston bore, is positioned so that when the rotor rotates, it communicates with the openings of the channel provided in the side wall of the receiving space of the engine block.
  • the opening in the side wall of the receiving space and the opening in the rotor therefore act as a rotary valve that releases the passage of the channels at defined times in the work cycle, i.e. during the rotation of the rotor. At these times, fresh fuel gas can then flow into the combustion chamber, be ignited or exhaust gas can be expelled.
  • the compressed fuel gas contained in the combustion chamber is ignited.
  • the ignition can be provided in the engine block. In this embodiment, only one ignition device or prechamber ignition is required for all pistons. But it is also possible to provide ignition in the rotor. In this case, contacts are provided on the side of the engine block, i.e. in the side wall of the receiving space, and on the side of the rotor, which come into contact during the rotation of the rotor and thus establish contact for ignition in the rotor.
  • the monoblock rotary engine can also operate on the principle of a diesel engine. In this case, there is no need for ignition or the devices provided for ignition.
  • a freely movable piston is arranged in the piston bore provided in the rotor.
  • the piston rests with a contact surface on the wall of the piston bore.
  • the contact surface is formed by the peripheral surface of the piston, with which the piston slides along the wall of the piston bore.
  • the gap between the piston bore and the contact surface of the piston is designed to be gas-tight.
  • a seal can be provided for this purpose. This can encompass the piston and run close to the wall of the piston bore. Alternatively, the gap can be chosen so narrow that a seal is achieved.
  • the piston has a combustion chamber surface that faces a combustion chamber.
  • the combustion chamber area corresponds to the area of the piston that faces the rotor axis.
  • the combustion chamber is formed by the wall of the piston bore and the combustion chamber surface. The combustion chamber can be accessed via the piston bore Fuel gas can be introduced into the opening provided and exhaust gas can be removed from the combustion chamber.
  • a support surface is arranged at the end of the piston opposite the combustion chamber surface. With the support surface, the piston can be supported on the circumferential surface of the receiving space formed in the engine block.
  • the piston Since the piston is freely movable in the piston bore, it can carry out a translational movement. This also changes the volume of the combustion chamber.
  • the piston is moved outwards by the centrifugal forces that occur when the rotor rotates and its support surface rests on the circumferential surface of the receiving space.
  • the support surface of the piston can have a smaller size than the cross section of the piston.
  • the support surface can also take the form of a line or a point.
  • the rotation of the rotor moves the support surface of the piston along the circumferential surface of the receiving space. Since the circulating surface has an elliptical curvature, meaning that the distance between the rotor axis and the circulating surface changes during the rotation of the rotor, a translational movement of the piston is also induced in the piston bore.
  • the piston reaches a bottom dead center when the rotor is positioned so that the support surface is at the location of the smallest diameter of the ellipse.
  • the combustion surface of the piston is then at the smallest distance from the axis of rotation of the rotor and the combustion chamber is at its smallest volume.
  • the support surface of the freely movable piston follows the curvature of the circumferential surface of the receiving space in the engine block.
  • the distance of the The combustion area of the piston from the rotor axis increases. This also increases the volume of the combustion chamber until the rotor is finally positioned in such a way that the support surface of the piston reaches the location of the largest diameter of the elliptical circulating surface. This means that the combustion surface reaches its greatest distance from the axis of rotation and thus the combustion chamber reaches its largest volume and the piston reaches its top dead center.
  • the distance between the rotor axis and the support surface of the piston, with which it rests on the elliptical circumferential surface of the receiving space decreases again until a minimum of the volume of the combustion chamber is reached again at the bottom dead center of the piston, that is, when the support surface of the Piston has reached the location of the smallest diameter of the ellipse of the circulating surface.
  • the volume of the combustion chamber increases again until the piston reaches its top dead center again, ie the combustion surface is once again at the greatest distance from the axis of rotation of the rotor and the combustion chamber reaches its maximum volume.
  • a rotation of the rotor can therefore be broken down into four work cycles.
  • the combustion chamber reaches its minimum volume in two cycles and the piston reaches the bottom dead center of its translational movement and in two cycles the combustion chamber reaches its maximum volume and the piston reaches the top dead center of its translational movement.
  • the first work cycle begins when the piston reaches its bottom dead center.
  • the support surface is located at the location of the circulating surface where the diameter of the ellipse has a minimum.
  • the direction of movement of the piston in the piston bore reverses. If the rotor moves further in the direction of rotation, the piston moves driven by the centrifugal force outwards away from the axis of rotation of the rotor.
  • the connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor coincides with the opening of the channel provided in the connecting space for supplying a fuel gas. This allows fuel gas to enter the combustion chamber from outside.
  • the fuel gas can be actively introduced into the piston, for example by previously compressing the fuel gas or parts of the fuel gas, for example by means of a compressor or a turbocharger, or by sucking it into the combustion chamber through the movement of the piston.
  • the connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor remains closed while the piston moves towards the rotor axis.
  • the volume of the combustion chamber decreases until the support surface of the piston reaches the place on the elliptical path of the circulating surface at which the ellipse has its smallest diameter.
  • the combustion chamber now has the lowest volume and the fuel gas reaches its maximum compression.
  • the rotor has rotated another 90°.
  • the third work cycle begins.
  • connection opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor now coincides with the ignition provided in the engine block or with the corresponding contacts if the ignition device is provided in the rotor. Ignition is triggered and the fuel gas present in the combustion chamber explodes.
  • the explosion increases the pressure in the combustion chamber and the piston is pushed outwards away from the rotor axis.
  • the pressure is passed on so that the pressure that the support surface of the piston exerts on the elliptical circumferential surface of the receiving space increases.
  • the support surface of the piston moves on the elliptical circumferential surface of the receiving space towards the point at which the ellipse has a maximum diameter. Since the rotor has an inert mass, it moves past the bottom dead center of the piston and is accelerated. This acceleration is transferred to the rotor axis and can be picked up there.
  • the rotor continues to rotate through 90° until the support surface of the rotor reaches the point on the circumferential surface of the receiving space provided in the engine block at which the ellipse has the maximum diameter.
  • the piston reaches its top dead center, where the combustion surface reaches its maximum distance from the rotor axis.
  • the combustion chamber has reached its maximum volume. The fourth work cycle begins.
  • the support surface of the piston moves further along the elliptical path of the circumferential surface of the receiving space provided in the engine block.
  • the Piston in the piston bore moves towards the rotor axis and the volume of the combustion chamber decreases.
  • the connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor now coincides with the opening of the channel provided in the engine block for the removal of exhaust gases.
  • the connection between the combustion chamber and the channel for exhaust gases is released and the exhaust gas present in the combustion chamber can be expelled.
  • the piston finally reaches bottom dead center, where the combustion surface has the smallest distance to the rotor axis and the combustion chamber has the smallest volume. This completes the fourth work cycle.
  • the rotor has rotated through 360° and returns to its original position. A new work sequence begins with a first work cycle.
  • two piston bores are provided in the rotor. These can be converted into one another by rotating the rotor through an angle of 180°.
  • the pistons of the pair each move uniformly towards or away from the rotor axis. This cancels out mass forces generated by the movement of the pistons. This means the engine runs very smoothly.
  • piston bores are provided in the rotor, in each of which freely movable pistons are accommodated.
  • the piston bores are arranged in the form of a cross, i.e. adjacent piston bores can be converted into one another by rotating the rotor through an angle of 90°.
  • the engine block can be designed as described above and does not require any additional channels for supplying the fuel gas, discharging the exhaust gas or ignition.
  • a channel is provided on the rotor for each bore, which opens into a connection opening arranged on the side surface of the rotor.
  • piston bores are arranged in a star shape in the rotor.
  • the piston bores are arranged rotationally symmetrically to one another.
  • the piston bores preferably have a circular cross section. But it is also possible to realize other cross sections, for example an oval cross section.
  • the combustion chamber surface of the freely movable piston accommodated in the piston bore can be designed to be flat. However, it is also possible to make the combustion chamber surface curved or to provide raised structures on the combustion chamber surface, for example in order to induce a certain movement of the fuel gas in the combustion chamber.
  • the filling of the combustion chamber with fuel gas or the removal of the exhaust gas from the combustion chamber is controlled via a rotary valve control in that the connection opening provided in the rotor is connected to the openings of the channel for the supply of the fuel gas and/or provided in the side surfaces of the receiving space the channel for discharging the exhaust gas is passed and the connection to the combustion chamber is thereby established.
  • the ignition channel in which the active prechamber ignition with the plasma jets, possibly fanned out at their end via nozzle openings, which extend laterally far into the combustion chamber in order to ignite as many clusters as possible at the same time, in order to be ideal, especially for operation with hydrogen gas to approach constant-space combustion.
  • the openings in the side wall of the receiving space or the connection opening in the side surface of the rotor are circular.
  • the openings in a different shape.
  • the openings can be designed with a rectangular or oval circumference.
  • the openings of the channel for supplying the fuel gas and/or the channel for discharging the exhaust gas provided in the side surfaces of the receiving space of the engine block are designed as arcuate elongated holes.
  • the curvature of the elongated holes is circular.
  • the opening provided in the rotor follows the shape of the elongated hole in the side wall of the receiving space.
  • connection opening of the rotor is also possible to design the connection opening of the rotor as an arcuate elongated hole. In this way, a longer period of time is also available per revolution for the supply or removal of the fuel gas or the exhaust gas.
  • the freely movable piston can be designed in such a way that the support surface is designed as a sliding surface that slides along the circumferential surface of the receiving space.
  • the friction between the support surface and the circulating surface can be reduced by providing a receptacle for a rotating body on the side of the supporting surface of the piston, in which a rotating body is accommodated and the piston is supported via the rotating body on the circulating surface of the receiving space in the engine block.
  • the rotating body then rolls along the circumferential surface of the receiving space.
  • the body of revolution can be a roller or a ball.
  • the spherical shape also allows the piston to move around its longitudinal axis and thus "run in” of the freely movable piston.
  • the axis of the rolling body, around which it moves when moving on the circumferential surface of the receiving space, can lie on the longitudinal axis of the piston.
  • the longitudinal axis of the piston and the rotation axis of the rotating body then intersect.
  • the axis of rotation of the rotating body viewed in the direction of rotation of the rotor, can also be arranged in front of or behind the longitudinal axis of the piston.
  • the piston is freely movable in the piston bore and is pressed against the elliptical circumferential surface of the receiving space by the centrifugal force of the rotating rotor or by the pressure generated in the combustion chamber.
  • the longitudinal axis of the freely movable pistons, along which the translational movement of the pistons takes place is tilted relative to the normal of the circumferential surface of the receiving space of the engine block.
  • the tilt angle to the normal of the circulating surface is in a range of 0.1 to 10 °, according to one in a further embodiment in the range from 0.5 to 5, and according to yet another embodiment in the range from 1 to 4°.
  • Spark plugs can be used to ignite the fuel gas, as are known from conventional gasoline engines.
  • the ignition is designed as a plasma ignition.
  • Candles with an integrated capacitive subsystem are used in order to trigger an additional plasma pulse of preferably two to three nanoseconds with preferably around five megawatts thanks to the stored energy after the flashover voltage has been reached with the ignition spark.
  • the ignition can also be carried out practically without wear as an already known pure plasma ignition. With the wide ignition limits, this engine can be operated lean and unthrottled.
  • the ignition arranged in the engine block can comprise an ignition channel in which the ignition is arranged.
  • the ignition is designed as an active prechamber plasma ignition.
  • the ignition is equipped with a capacitive plasma pulse spark plug or with a plasma spark plug designed using miniaturized microwave technology, which sends the plasma jet deep into the combustion chamber in a fan-shaped form at the end of the antechamber. In this way, complete, equispace-like combustion can be achieved in lean operation.
  • the antechamber contains ignition, for example a spark plug, and a gas injector for the small amount Gas quantity of the pre-chamber ignition arranged close together in the pre-chamber.
  • the engine block and the rotor are constructed at least in sections from a diamond-like carbon material, with at least the surfaces of the receiving space, the rotor and the pistons, which rest on another surface, being formed from the diamond-like carbon material.
  • the rotor and/or the engine block is constructed of the diamond-like carbon material.
  • the preferred diamond-like carbon material is also referred to as "isostatic graphite”.
  • Isostatic graphite is a fine-grain graphite for specific areas of application where the mechanical properties of other fine-grain graphites are not sufficient.
  • Isostatic Graphite stands for isostatically shaped graphite. This means that the raw material mixture is compacted into rectangular or round blocks in a so-called cold isostatic press (CIP).
  • CIP cold isostatic press
  • isostatic graphites generally have the smallest grain sizes of all artificial graphites.
  • isostatic graphite began in the 1960s. This isostatic graphite is known, for example, from applications in the nuclear and metallurgical industries.
  • Such a material is offered, for example, by SGL Carbon under the name SIGRAFINE ® .
  • the density of isostatic graphite is preferably in the range of 1.7 to 1.86 kg/m 3 .
  • Isostatic graphite has a characteristic appearance. This can be done e.g. B. determine with the help of supervisory microscopy
  • Isostatic graphite has a very high heat resistance and can be subjected to high thermal loads. Furthermore, it practically does not expand when heated. Surfaces made of isostatic graphite that slide past each other require no lubrication or cooling.
  • the pistons can advantageously be designed without piston rings or oil scraper rings.
  • the monoblock rotor and piston are designed without lubrication
  • the monoblock rotary engine can also be used as a double-acting hot gas engine based on the Stirling principle, analogous to the arrangement operated by Sir William Siemens.
  • double-acting pistons are each provided with piston rods that protrude radially from the monoblock rotor in a sealed manner and are guided thanks to the elliptical inner housing contour.
  • Further axial bores in the cylinders near the circumference of the rotor ensure gas guidance on the underside of the double-acting pistons in cooperation with the corresponding additional inlet and outlet channels with the pocket-shaped recesses in the housing cover.
  • the undersides of the pistons always work with the cool gas, which makes it easier to seal the piston rods leading out of the rotor.
  • each piston underside is now connected to the piston upper side of its neighboring cylinder via a cooler, regenerator and heater on the housing cover. This results in a perfect interaction with four cylinders with a 90 degree distance from cylinder center to cylinder center, whereby the common heater on the top of the housing can be operated with green hydrogen and / or very advantageously directly solar thermally.
  • the piston on the side of the support surface tapers into an extension section which is guided in a gas-tight manner through the peripheral surface of the rotor and which is supported with its end on the elliptical circumferential surface of the receiving space of the engine block.
  • a second combustion chamber i.e. an expansion and compression space
  • the second combustion chamber i.e. the expansion and compression space
  • a transfer channel which is preferably connected to a cooler or heater or .
  • Regenerator is connected to carry out the gas exchange, whereby a common heat source in the form of a pore burner can advantageously be used.
  • the monoblock rotary motor is ideal for use in road vehicles thanks to its compact, lightweight design, smooth running, quiet operation and high efficiency.
  • the robust yet compact design of the monoblock rotary motor also offers itself as a cost-effective alternative to fuel cell heating and for combined heat and power in midi, mini and micro cogeneration plants.
  • the advantageous use of additive manufacturing methods and the final shape production such as the pressed-to-size process (PTS) of the few moving engine components lead to major cost advantages even at relatively low volumes. This makes it possible to use the monoblock rotary engine to create mini and micro cogeneration plants that compete with gas condensing boilers and can replace them in the short to medium term with a steadily growing proportion of green hydrogen in the existing natural gas network for operation.
  • a further subject of the invention is therefore a method for providing a rotational movement, wherein a monoblock rotary engine as described above is provided, a fuel gas is introduced into the combustion chamber of the monoblock rotary engine and exploded.
  • the fuel particularly preferably contains hydrogen gas.
  • MIEC membranes Mated.
  • Ionic Electronic Conductor Ionic Electronic Conductor
  • the hydrogen engine fits almost perfectly into existing structures and replaces diesel and gasoline engines. While batteries and fuel cells increasingly wear out after a few years, the H2 engine can provide reliable service for decades. Dust, temperature fluctuations and harsh everyday use cannot harm it. All of this should be the deciding factor in favor of the H2 engine for most applications, which also reaches and even exceeds the efficiency of the mobile fuel cell at high loads.
  • the operating temperature can be reached quickly.
  • water can be injected into each cylinder after each exhaust cycle, which is immediately converted into steam, which expands while working and moves the pistons and the monoblock rotor.
  • the water condensate from hydrogen combustion and water injection can be advantageously reused.
  • the water injection also ensures that this “internal cooling” avoids hot spots where hydrogen gas could self-ignite when used.
  • a sensor for internal engine temperature monitoring can advantageously be coupled with the water injection in order to keep the temperature below the relatively high hydrogen ignition temperature.
  • Thermal insulation of the motor housing provided according to one embodiment can be very advantageous in order to minimize heat losses to the outside and further increase efficiency.
  • a second monoblock rotary motor can be coupled to the shaft of the first as a pure expansion motor in such a way that the exhaust duct of the first motor is connected to the inlet duct of the second motor for additional expansion and to increase overall efficiency.
  • TIME Engine thermally insulated multiple expansion engine
  • the invention therefore also relates to a drive unit comprising two coupled monoblock rotary motors, as described above.
  • a first monoblock rotary motor is designed as a high-pressure rotary motor and a second monoblock rotary motor is designed as a low-pressure rotary motor.
  • the high-pressure motor is designed as a monoblock rotary motor, as described above.
  • the low-pressure rotary engine is designed as a pure expansion engine.
  • the low-pressure rotary engine is essentially identical in construction to the high-pressure rotary engine.
  • the low pressure engine is However, no fuel gas is supplied but only the exhaust gas that was generated in the first monoblock rotary engine and which is still under a certain residual pressure. This residual pressure of the exhaust gas is used in the second monoblock rotary engine to convert the energy contained in the exhaust gas into rotation of the rotor of the second monoblock rotary engine.
  • the second monoblock rotary engine therefore does not require any ignition and no supply of fuel gas.
  • the first and second monoblock rotary motors are connected via a common drive shaft.
  • the dimensioning of the expansion spaces of the second monoblock rotary engine results from the exhaust gas quantity of the first monoblock rotary engine and the residual pressure of the exhaust gas.
  • the exhaust gas discharge of the first monoblock rotary engine is connected to a gas supply of the second
  • Monoblock rotary engine connected, so that the exhaust gas from the first monoblock rotary engine is introduced into combustion chambers of the second monoblock rotary engine, which are designed as pure expansion spaces.
  • At least the first monoblock rotary engine is provided with thermal insulation, so that the heat generated in the monoblock rotary engine remains primarily in the exhaust gas and can be used to increase the residual pressure of the exhaust gas.
  • Fig. 1 shows a disk-shaped rotor 1 with a circular circumference.
  • the rotor has a peripheral surface 2 and side surfaces 3.
  • Circular openings 4 of piston bores 5 are made in the peripheral surface 2.
  • 4 piston bores are provided, of which in Fig. 1 two openings are visible.
  • a rotor axis 7 is provided centrally in the side surface 3, around which the rotor 1 can rotate.
  • Fig. 2 shows the rotor Fig. 1 , but pistons 8 are inserted into the piston bores 5.
  • the pistons 8 have a circular cross section and are fitted precisely into the piston bores 8.
  • the pistons 5 slide along the wall of the piston bore 5 with the sliding surfaces 9.
  • the pistons 8 can protrude beyond the peripheral surface 2 of the rotor 1.
  • Support surfaces 10 are arranged on the end face of the pistons 9.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through the engine block 11.
  • a receiving space 12 is arranged in the engine block 11, which is delimited by an elliptical circumferential surface 13.
  • a rotor 1 is arranged centrally in the receiving space 12.
  • Rotor 1 has a circular cross section and is delimited by peripheral surface 2.
  • Rotor 1 rotates in the receiving space 12 about its rotor axis 7.
  • Four piston bores 5 are provided in the rotor 1, the longitudinal axes of which each enclose an angle of 180° in pairs. Channels lead from the piston bores 5 to the side surfaces of the rotor 1 and open there into openings 6.
  • Freely movable pistons 8 are inserted into the piston bores 5, which are in the piston bores 5 can carry out translational movements.
  • the freely movable pistons 8 each rest on the outer side facing away from the rotor axis 7 with their support surfaces 14 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12.
  • a combustion surface 15 is arranged, which forms a combustion chamber 16 with the piston bore 5.
  • the four pistons 8a, 8b, 8c and 8d are each in different work cycles. For further description it is assumed that rotor 1 rotates clockwise.
  • Piston 8a is at the beginning of the first work cycle.
  • the piston 8a rests with its support surface 10 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12, which is provided in the engine block 11.
  • the combustion surface 15 has the smallest distance to the rotor axis 7 and the volume of the combustion chamber 16 has a minimum.
  • the opening 6 is arranged so that it communicates with the channel provided in the engine block 11 for supplying the fuel gas (not shown).
  • the rotor 1 rotates clockwise, ie in the illustration Fig. 3
  • the piston 8 in the piston bore 5 is moved outwards by the centrifugal force, ie away from the rotor axis 7 and rests with its support surface 10 on the circulating surface 13 and slides along it. Since the distance between the rotor axis 7 and the circulating surface 13 increases, the piston 8 carries out a translational movement which is directed away from the rotor axis 7. This also increases the volume of the combustion chamber 16 and fuel gas is sucked into the combustion chamber 16 through the opening 6 and the adjacent channel (not shown).
  • Piston 8b shows the position in which piston 8b with its combustion surface 15 has reached the maximum distance from the rotor axis 7 or the combustion chamber 16 has its maximum volume.
  • the opening 6 of the channel running inside the rotor 1 to the combustion chamber 16 has passed the opening provided in the receiving space (not shown) for supplying fuel gas (not shown) and the opening 6 rests on the side wall of the receiving space (not shown) and is locked. If the rotor continues to move clockwise, the opening 6 slides further along the side wall of the receiving space and remains closed.
  • the piston 8 continues to slide with its support surface 10 along the circumferential surface 13 of the receiving space in the engine block. As a result, piston 8 moves in the direction of rotor axis 7 and the volume of combustion chamber 16 decreases, i.e. the fuel gas contained in combustion chamber 16 is compressed. Due to the increasing pressure in the combustion chamber 16, the support surface 10 is pressed more firmly against the circulating surface 13 until the piston finally reaches the position of the piston 8c.
  • the piston and thus also the combustion surface 15 have again reached the smallest distance from the rotor axis 7.
  • the volume of the combustion chamber 16 reaches a minimum and the fuel gas contained in the combustion chamber 16 is at its highest compression.
  • the opening 6 of the channel leading to the combustion chamber 16 slides along the side surface of the receiving space arranged in the engine block 11, so that the combustion chamber 16 remains closed.
  • opening 6 coincides with the ignition (not shown) arranged in the engine block 11 and the mixture contained in the combustion chamber 16 is ignited and exploded.
  • the pressure in the combustion chamber 16 increases sharply and the piston 8 is pressed with its support surface 10 against the circulating surface 13. Due to the component of the force running tangentially to the rotating surface, the rotor is accelerated clockwise and moves into a position that is represented by the piston 8d.
  • the opening 6 coincides with the opening (not shown) of the exhaust duct arranged in the side surface of the receiving space 12 and a connection is established between the combustion chamber 16 and the environment.
  • the piston 8 rests with its support surface 10 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12. Since the distance between the circulating surface 13 and the rotor axis 7 decreases, the piston 8 is moved in the direction of the rotor axis 7 and the exhaust gas produced during the combustion of the fuel gas is expelled until the rotor finally reaches a position again which corresponds to the starting position and in which the piston assumes the position marked by 8a.
  • the opening 6 has moved past the opening for exhaust gas removal provided in the side wall of the receiving space 12 and is closed again by the side wall of the receiving space 12.
  • a section of the side wall of the receiving space 12 is shown, which is formed by a side plate 17.
  • Two arcuate elongated holes 18, 19 are provided in the side plate 17, with elongated hole 18 opening into a fuel gas supply 20 arranged in the engine block and elongated hole 19 opening into an exhaust gas outlet 21 arranged in the engine block. Furthermore, an opening 22 is provided for ignition.
  • the elongated holes 18, 19 are arranged in such a way that they coincide with the openings 6 (not shown) of the rotor 1 during a revolution of the rotor 1 and a connection is established between the fuel gas supply 20, ignition opening 22 or exhaust gas discharge 21 and combustion chamber 16.
  • Elongated hole 18 is arranged so that it spans the segment of the side surface between positions 8a and 8b of piston 8.
  • Elongated hole 19 is arranged so that it spans the segment between positions 8d and 8a and ignition opening 22 is arranged so that it coincides with opening 6 of the rotor in position 8c of the piston 8. In this way, fuel gas is sucked in and exhaust gas is expelled over the entire piston stroke. Ignition of the fuel gas occurs at the point of piston movement when the fuel gas has the highest compression.
  • Fig. 5 shows a perspective view of the monoblock rotary engine, with the parts of the engine shown in a partially exploded view.
  • a rotor 1 is inserted into a receiving space 12 of the engine block 11.
  • the rotor 1 is raised slightly and therefore protrudes beyond the surface of the engine block 11, which is aligned with the end of the receiving space.
  • Four openings 6 are arranged around the rotor axis 7 and communicate with the piston bores arranged in the rotor.
  • Channels for the fuel gas supply 20, the exhaust gas discharge 21 and an ignition chamber 22 are arranged in the engine block 1 (not shown), via which, as described above, the fuel gas is fed into the combustion chamber, the exhaust gas is removed from the combustion chamber and the compressed fuel gas is ignited.
  • FIGS. 6 and 7 each show a section through rotors 1, as used in the monoblock rotary motor according to the invention.
  • a rotor 1 is shown, in which four piston bores 5 are provided.
  • the piston bores 5 are arranged rotationally symmetrically to the rotor axis 7.
  • the piston longitudinal axis 37 coincides with the normal 36 of the circulating surface. If pistons (not shown) are inserted into the piston bores 5, they move in a star shape away from the rotor axis 7 or towards it during the translational movement.
  • the piston bore 5d is arranged, for example, in such a way that the piston longitudinal axis 37 is tilted relative to the normal 36 of the circulating surface and forms an angle with it.
  • a rotor 1 is shown, in which six piston bores 5a to 5f are provided.
  • the piston bores 5 are arranged rotationally symmetrically to the rotor axis 7.
  • the piston longitudinal axis 37 coincides with the normal 36 of the circulating surface. If pistons (not shown) are inserted into the piston bores 5, they move in a star shape away from the rotor axis 7 or towards it during the translational movement.
  • the piston bore 5f is, for example, arranged such that the piston longitudinal axis 37 is tilted relative to the normal 36 of the circulating surface and forms an angle with it.
  • Fig. 8 shows schematically a section through an antechamber ignition, as can be used in the monoblock rotor rotary engine according to the invention.
  • an antechamber 38 is provided, which can be connected to the combustion chamber (not shown) via a channel.
  • the antechamber 38 opens into an opening through which the antechamber can be connected to the combustion chamber formed in the rotor.
  • the nozzle of an injection device 39 opens into the antechamber 38, via which a small amount of fuel, for example hydrogen gas, can be injected into the antechamber 38.
  • the amount of fuel injected can be controlled, for example, via a piezo element.
  • the spark gap of a spark plug 40 is arranged, with which the combustible mixture injected into the antechamber can be ignited. A flame front is created that moves into the combustion chamber.
  • Fig. 9 shows an embodiment of the monoblock rotary engine as a Stirling engine with a heater with large heating fins, a regenerator as a dark middle section and a cooler with small cooling fins.
  • Fig. 10 shows the manufacturing process for isostatic graphite, from which the rotor, piston bores, piston and engine block are preferably constructed.
  • the manufacturing processes for synthetic graphite are comparable to those of ceramic materials.
  • the solid raw materials coke 24 and graphite 25 are processed in a grinder 26 ground and in mixing units 27 with carbon-containing binders 28 such as. B. Pechen mixed into a homogeneous mass. This is followed by the shaping. There are different methods 29 available for this: isostatic pressing, extrusion, vibration compaction or die pressing.
  • the pressed "green" shaped bodies are then carbonized in a kiln 30 at 800 to 1200 ° C in the absence of oxygen at around 1000 ° C and repeatedly impregnated with pitch in an impregnation device 31. During this process, binder bridges form between the solid particles.
  • Graphitization - the second thermal processing step - takes place in a graphitization furnace 32. The amorphous carbon is converted into three-dimensionally ordered graphite at around 3,000 °C.
  • the graphitized molded bodies are then mechanically processed 33 to form complex components.
  • these can be carried out by further cleaning processes 34 and coating steps 35 such as. B. can be additionally refined with a silicon carbide (SiC) coating.

Abstract

Monoblockrotationsmotor umfassend: einen Motorblock (11) mit einem Aufnahmeraum (12) für einen Rotor (1), wobei der Aufnahmeraum (12) zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Seitenflächen und eine die beiden Seitenflächen verbindende Umlauffläche (13) hat, wobei die Umlauffläche (13) in einer Richtung parallel zu den Seitenflächen eine elliptische Krümmung aufweist, mit einer langen Ellipsenachse und einer senkrecht dazu verlaufenden kurzen Ellipsenachse, welche die lange Ellipsenachse an einem Kreuzungspunkt kreuzt, und ferner in den Seitenflächen zentral am Kreuzungspunkt der Ellipsenachsen angeordnete Achsaufnahmen vorgesehen sind, und in den Seitenflächen zumindest Öffnungen eines Kanals (20) für eine Zuführung eines Brenngases, eines Kanals (21) für eine Abführung von Abgasen sowie eine Zündung (22) vorgesehen sind.

Figure imgaf001
Monoblock rotary motor comprising: an engine block (11) with a receiving space (12) for a rotor (1), the receiving space (12) having two side surfaces arranged mirror-symmetrically to one another and a circumferential surface (13) connecting the two side surfaces, the circumferential surface (13) has an elliptical curvature in a direction parallel to the side surfaces, with a long ellipse axis and a short ellipse axis running perpendicular thereto, which crosses the long ellipse axis at an intersection point, and furthermore axis receptacles arranged centrally at the intersection point of the ellipse axes are provided in the side surfaces, and in The side surfaces are provided with at least openings of a channel (20) for supplying a fuel gas, a channel (21) for discharging exhaust gases and an ignition (22).
Figure imgaf001

Description

Die Erfindung betrifft einen Monoblockrotationsmotor.The invention relates to a monoblock rotary engine.

Verbrennungsmotoren, wie sie zum Antrieb von Fahrzeugen, wie Automobilen, oder auch als unabhängige Antriebseinheit verwendet werden, sind überwiegend als Hubkolbenmotoren ausgebildet. Dabei führt ein in einer Kolbenbohrung angeordneter Kolben eine translatorische Bewegung mit einem unteren und einem oberen Totpunkt aus. Im Wesentlichen unterscheidet man Motoren, die nach dem Otto-Prinzip bzw. dem Diesel-Prinzip betrieben werden. Beiden Prinzipien ist gemein, dass ein zündfähiges Gemisch in einem Brennraum erzeugt und durch die Bewegung des Kolbens verdichtet wird. Das verdichtete zündfähige Gemisch wird dann entzündet. Bei der Verbrennung des zündfähigen Gemisches erfolgt ein Druckanstieg im Brennraum, wodurch der Kolben in die entgegengesetzte Richtung bewegt wird. Die translatorische Bewegung des Kolbens wird über die Kurbelwelle in eine Rotationsbewegung umgewandelt, die dann zum Antrieb beispielsweise eines Fahrzeugs genutzt werden kann.Internal combustion engines, such as those used to drive vehicles such as automobiles, or as independent drive units, are predominantly designed as reciprocating piston engines. A piston arranged in a piston bore carries out a translational movement with a lower and an upper dead center. Essentially, a distinction is made between engines that operate on the Otto principle and the diesel principle. What both principles have in common is that an ignitable mixture is generated in a combustion chamber and compressed by the movement of the piston. The compressed ignitable mixture is then ignited. When the ignitable mixture is burned, the pressure in the combustion chamber increases, causing the piston to move in the opposite direction. The translational movement of the piston is converted into a rotational movement via the crankshaft, which can then be used to drive a vehicle, for example.

Eine translatorische Bewegung ist für den kontinuierlichen Betrieb von Vorrichtungen meist nicht verwertbar, sondern muss zunächst in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden. Für die Umwandlung der translatorischen Bewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung ist jedoch ein hoher mechanischer Aufwand erforderlich. Ferner treten durch die Auf- und Abwärtsbewegung der Kolben Massenkräfte auf, die ausgeglichen werden müssen. Dies erfolgt durch Ausgleichgewichte, die zum Beispiel gegenläufig zur Bewegung des Kolbens rotieren. Ferner kann durch die Anordnung der Zylinder ein Ausgleich der Massenkräfte erzeugt werden. So heben sich bei einem Boxermotor die Massenkräfte auf. Bei Reihenmotoren oder Motoren, bei denen die Zylinder in V-Anordnung angeordnet sind, werden die Kolben in einer definierten Abfolge zeitlich zueinander versetzt bewegt, um auf diese Weise die Massenkräfte auszugleichen und eine hohe Laufruhe des Motors zu erreichen. Hubkolbenmotoren sind seit mehr als 100 Jahren bekannt, sodass eine große Erfahrung für ihre Konstruktion vorliegt.A translational movement is usually not usable for the continuous operation of devices, but must first be converted into a rotational movement. However, a great deal of mechanical effort is required to convert the translational movement of the piston into a rotational movement. Furthermore, the up and down movement of the pistons creates mass forces that must be balanced. This is done using balancing weights that, for example, rotate in the opposite direction to the movement of the piston. Furthermore, the arrangement of the cylinders can compensate for the mass forces. In a boxer engine, the mass forces cancel each other out. For in-line engines or In engines in which the cylinders are arranged in a V arrangement, the pistons are moved in a defined sequence at a time offset from one another in order to balance the mass forces and ensure that the engine runs very smoothly. Reciprocating engines have been known for more than 100 years, so there is a lot of experience in their design.

Beim Wankelmotor, dessen grundlegende Wirkungsweise in der DE 952903 beschrieben ist, werden rotierende Läufer verwendet, um die bei einer Verbrennung eines zündfähigen Gemisches freiwerdende Energie in eine Rotationsbewegung umzuwandeln. Wankelmotoren zeichnen sich durch eine sehr hohe Laufruhe aus, da nur sehr geringe Massenkräfte durch die Bewegung eines Exzenters erzeugt werden. Ferner benötigt der Wankelmotor deutlich weniger bewegliche Teile als ein Hubkolbenmotor und kann sehr kompakt konstruiert werden. Nachteile des Wankelmotors liegen in seinem hohen Verbrauch und in der Abdichtung der Brennräume.With the Wankel engine, whose basic mode of operation is in the DE 952903 As described, rotating rotors are used to convert the energy released during combustion of an ignitable mixture into a rotational movement. Wankel engines are characterized by very smooth running, as only very low mass forces are generated by the movement of an eccentric. Furthermore, the Wankel engine requires significantly fewer moving parts than a reciprocating piston engine and can be designed to be very compact. The disadvantages of the Wankel engine are its high consumption and the sealing of the combustion chambers.

Lkw, Pkw, Busse und Baufahrzeuge brauchen neue Lösungen. Elektromotoren benötigen eine Stromversorgung. Batterien und Brennstoffzellen bieten sich an, haben aber jeweils auch klare Nachteile. Ein Hindernis besteht schon darin, dass für sie völlig neue Wertschöpfungsketten geschaffen werden müssen, und zwar nicht nur in der Herstellung, sondern auch bei Wartung und Service sowie dem Recycling.Trucks, cars, buses and construction vehicles need new solutions. Electric motors require a power supply. Batteries and fuel cells are suitable, but each also has clear disadvantages. One obstacle is that completely new value chains have to be created for them, not only in production, but also in maintenance and service as well as recycling.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde einen Motor zur Verfügung zu stellen, der sehr einfach aufgebaut ist, einen kompakten Aufbau hat und bei dem in einfacher Weise eine Rotationsbewegung erzeugt wird.The invention was based on the object of providing a motor that is very simple, has a compact structure and in which a rotational movement is generated in a simple manner.

Diese Aufgabe wird mit einem Monoblockrotationsmotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Monoblockrotationsmotors sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is achieved with a monoblock rotary motor with the features of patent claim 1. Advantageous embodiments of the monoblock rotary motor are the subject of the dependent claims.

Der erfindungsgemäße Monoblockrotationsmotor besteht im Wesentlichen aus einem Motorblock mit einem Aufnahmeraum, in welchem ein Rotor rotiert über dessen Achse eine Rotationsbewegung abgenommen werden kann. Im Rotor sind Kolben vorgesehen, die in symmetrisch gegenüberliegend angeordnetenKolbenbohrungen eine Auf- und Abwärtsbewegung, also eine translatorische Bewegung, ausführen. Die Kolben stützen sich mit einem Ende an der Wand des Aufnahmeraums ab. Der Aufnahmeraum weist eine elliptische Fläche auf, deren Krümmung der Kolben mit seinem anliegenden Ende folgt. Auf diese Weise lässt sich die translatorische Bewegung des Kolbens sehr einfach in eine Rotationsbewegung des Rotors umwandeln.The monoblock rotary motor according to the invention essentially consists of an engine block with a receiving space in which a rotor rotates over the axis of which a rotational movement can be recorded. Pistons are provided in the rotor, which carry out an up and down movement, i.e. a translational movement, in piston bores arranged symmetrically opposite one another. The pistons are supported at one end on the wall of the receiving space. The receiving space has an elliptical surface, the curvature of which the piston follows with its adjacent end. In this way, the translational movement of the piston can be easily converted into a rotational movement of the rotor.

Der erfindungsgemäße Monoblockrotationsmotor umfasst:

  • einen Motorblock mit einem Aufnahmeraum für einen Rotor, wobei der Aufnahmeraum zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Seitenflächen und eine die beiden Seitenflächen verbindende Umlauffläche hat, wobei die Umlauffläche in einer Richtung parallel zu den Seitenflächen eine elliptische Krümmung aufweist, mit einer langen Ellipsenachse und einer senkrecht dazu verlaufenden kurzen Ellipsenachse, welche die lange Ellipsenachse an einem Kreuzungspunkt kreuzt, und ferner in den Seitenflächen zentral am Kreuzungspunkt der Ellipsenachsen angeordnete Achsaufnahmen vorgesehen sind, und in den Seitenflächen zumindest Öffnungen eines Kanals für eine Zuführung eines Brenngases, eines Kanals für eine Abführung von Abgasen sowie eine Zündung vorgesehen sind,
  • einen im Aufnahmeraum aufgenommenen rotationssymmetrischen Rotor, wobei der Rotor Seitenflächen aufweist, die an den Seitenflächen des Aufnahmeraums anliegen, sowie eine die Seitenflächen des Rotors verbindende rotationssymmetrische Umfangsfläche, sowie eine zentral in den Seitenflächen angeordnete Rotorachse, die in den Achsaufnahmen des Motorblocks aufgenommen ist, wobei in dem Rotor zumindest ein Paar radial zur Rotorachse gegenüberliegend angeordnete Kolbenbohrungen vorgesehen sind, die auf der Seite der rotationssymmetrischen Umfangsfläche eine Öffnung aufweisen und an dem der Öffnung entgegengesetzten Endbereich mit einem Kanal verbunden sind, der zu einer der Seitenflächen des Rotors führt und in einer in der Seitenfläche vorgesehenen Verbindungsöffnung mündet, wobei die Verbindungsöffnung so angeordnet ist, dass sie bei einer Rotation des Rotors mit den im Aufnahmeraum vorgesehenen Öffnungen des Kanals für die Zuführung des Brenngases, des Kanals für die Abführung der Abgase sowie der Zündung zur Deckung gelangt, und weiter in der Kolbenbohrung ein frei beweglicher Kolben vorgesehen ist, der mit einer Gleitfläche an der Kolbenbohrung anliegt und ausgebildet ist, in der Kolbenbohrung eine translatorische Bewegung auszuführen, wobei der Kolben ferner eine einem ersten Brennraum zugewandte Brennraumfläche und eine am der Brennraumfläche entgegengesetzten Ende des Kolbens angeordnete Abstützfläche aufweist, wobei der Kolben in einer Auswärtsposition mit einem Abschnitt aus der rotationssymmetrischen Umfangsfläche hervorsteht und sich mit der Abstützfläche auf der elliptischen Umlauffläche des Aufnahmeraums abstützt.
The monoblock rotary motor according to the invention includes:
  • an engine block with a receiving space for a rotor, the receiving space having two side surfaces arranged mirror-symmetrically to one another and a circumferential surface connecting the two side surfaces, the circumferential surface having an elliptical curvature in a direction parallel to the side surfaces, with a long elliptical axis and one perpendicular thereto short ellipse axis, which crosses the long ellipse axis at a crossing point, and furthermore axis receptacles arranged centrally at the crossing point of the ellipse axes are provided in the side surfaces, and at least openings of a channel for a feed in the side surfaces Fuel gas, a channel for discharging exhaust gases and ignition are provided,
  • a rotationally symmetrical rotor accommodated in the receiving space, the rotor having side surfaces which rest on the side surfaces of the receiving space, as well as a rotationally symmetrical peripheral surface connecting the side surfaces of the rotor, and a rotor axis arranged centrally in the side surfaces, which is accommodated in the axle receptacles of the engine block, whereby in the rotor at least one pair of piston bores arranged radially opposite the rotor axis are provided, which have an opening on the side of the rotationally symmetrical circumferential surface and are connected at the end region opposite the opening to a channel which leads to one of the side surfaces of the rotor and in an in The connection opening provided on the side surface opens out, the connection opening being arranged in such a way that when the rotor rotates, it coincides with the openings provided in the receiving space in the channel for supplying the fuel gas, the channel for discharging the exhaust gases and the ignition, and further A freely movable piston is provided in the piston bore, which rests on the piston bore with a sliding surface and is designed to carry out a translational movement in the piston bore, the piston further having a combustion chamber surface facing a first combustion chamber and an end of the piston opposite the combustion chamber surface Has support surface, wherein the piston protrudes in an outward position with a section from the rotationally symmetrical circumferential surface and is supported with the support surface on the elliptical circumferential surface of the receiving space.

Der Monoblockrotationsmotor umfasst zunächst einen Motorblock. Dieser Motorblock ist aus einem geeigneten Material aufgebaut, das den auftretenden Kräften widerstehen kann und thermisch ausreichend widerstandsfähig ist. An sich können Materialien verwendet werden, wie sie aus dem Motorenbau bekannt sind, also Gussmaterialien, wie Eisen bzw. Stahl oder auch Aluminium. Es sind aber auch andere Materialien geeignet, wie beispielsweise keramische oder karbonkeramische Materialien.The monoblock rotary engine initially includes an engine block. This engine block is made of a suitable material that can withstand the forces that occur and is sufficiently thermally resistant. Materials that are known from engine construction can be used, i.e. cast materials such as iron or steel or aluminum. However, other materials are also suitable, such as ceramic or carbon-ceramic materials.

Der Motoblock kann massiv ausgeführt werden. Es ist aber gemäß einer Ausführungsform auch möglich, den Motorblock in der Weise auszuführen, dass Hohlräume oder Ausnehmungen vorgesehen sind, sodass eine Material- bzw. Gewichtseinsparung verwirklicht werden kann.The walk-behind tractor can be made massive. However, according to one embodiment, it is also possible to design the engine block in such a way that cavities or recesses are provided, so that material or weight savings can be achieved.

Der Motorblock kann von Kühlleitungen durchzogen sein, um die bei der Verbrennung des Treibstoffs freiwerdende Wärme abzuführen. Ebenso können Schmiervorrichtungen zum Schmieren von Lagern und Kanäle zur Versorgung der Schmiervorrichtungen vorgesehen sein.The engine block can be traversed by cooling lines to dissipate the heat released when the fuel is burned. Likewise, lubricating devices for lubricating bearings and channels for supplying the lubricating devices can be provided.

Erfindungsgemäß umfasst der Motorblock einen Aufnahmeraum für einen Rotor. Der Aufnahmeraum umfasst zwei auf gegenüberliegenden Seiten des Aufnahmeraums angeordnete Seitenflächen in deren Zentrum jeweils eine Aufnahme für eine Rotorachse des Rotors vorgesehen ist. Die Seitenflächen können plan ausgestaltet sein und parallel zueinander angeordnet sein. Es ist aber auch möglich, die Seitenflächen mit einer Krümmung zu versehen. Die Krümmung ist dann so ausgestaltet, dass sie rotationssymmetrisch zur Achsaufnahme verläuft, sodass eine Rotation des im Aufnahmeraum aufgenommenen Rotors möglich ist. Die Seitenflächen weisen einen elliptischen Umfang auf.According to the invention, the engine block includes a receiving space for a rotor. The receiving space comprises two side surfaces arranged on opposite sides of the receiving space, in the center of which a receptacle for a rotor axis of the rotor is provided. The side surfaces can be flat and arranged parallel to one another. But it is also possible to provide the side surfaces with a curvature. The curvature is then designed so that it is rotationally symmetrical to the axle mount, so that rotation of the rotor accommodated in the receiving space is possible. The side surfaces have an elliptical circumference.

In den Seitenflächen sind ferner Öffnungen vorgesehen, in welche Kanäle münden, die zur Zuführung eines Brenngases bzw. zur Abführung eines nach der Verbrennung des Brenngases entstehenden Abgases dienen. Die Kanäle sind durch den Motorblock nach außen geführt und münden im Fall des Abgases in einen Auspuff, mit welchem das Abgas in die Umgebung abgegeben wird und im Fall des Brenngases zu einer Vorrichtung, in welcher das Brenngas bereitgestellt wird. Unter Brenngas wird eine gasförmige Mischung aus einem sauerstoffhaltigen Gas, beispielsweise Luft, und einem gasförmigen Brennstoff verstanden.Openings are also provided in the side surfaces, into which channels open, which serve to supply a fuel gas or to remove an exhaust gas produced after the combustion of the fuel gas. The channels are led through the engine block to the outside and, in the case of the exhaust gas, open into an exhaust pipe with which the exhaust gas is released into the environment and, in the case of the fuel gas, into a device in which the fuel gas is provided. Fuel gas is understood to mean a gaseous mixture of an oxygen-containing gas, for example air, and a gaseous fuel.

Eine Vorrichtung, in welcher das Brenngas bereitgestellt wird, kann beispielsweise eine Einspritzung sein, mit welcher flüssiger Brennstoff in einem Luftstrom fein verteilt wird, sodass eine rasche Verdampfung erfolgt und ein zündfähiges Brenngas erhalten wird. Es ist auch möglich einen Vergaser zu verwenden, in welchem die Vermischung von Luft und flüssigem Brennstoff erfolgt, sodass ein Brenngas erhalten wird. Wird ein gasförmiger Brennstoff verwendet, wie Erdgas oder Wasserstoffgas, wird der Brennstoff mit Luft vermischt. Dazu kann beispielsweise eine Wirbelkammer vorgesehen sein, in welcher der gasförmige Brennstoff und Luft verwirbelt werden.A device in which the fuel gas is provided can, for example, be an injection with which liquid fuel is finely distributed in an air stream so that rapid evaporation occurs and an ignitable fuel gas is obtained. It is also possible to use a carburetor in which air and liquid fuel are mixed to produce a fuel gas. If a gaseous fuel is used, such as natural gas or hydrogen gas, the fuel is mixed with air. For this purpose, for example, a swirl chamber can be provided in which the gaseous fuel and air are swirled.

Die Öffnungen für die Zuführung des Brenngases und die Abführung des Abgases können auf derselben Seitenfläche des Aufnahmeraums angeordnet sein. Es ist aber auch möglich jeweils eine der Öffnungen auf der einen Seitenfläche anzuordnen und die andere Öffnung auf der gegenüberliegenden Seitenfläche.The openings for supplying the fuel gas and discharging the exhaust gas can be arranged on the same side surface of the receiving space. However, it is also possible to arrange one of the openings on one side surface and the other opening on the opposite side surface.

Ferner ist eine Zündung vorgesehen, mit welcher das Brenngas gezündet werden kann. Die Zündung ist in einer Ausnehmung des Motorblocks angeordnet, die mit der Seitenfläche abschließt und sich in den Motorblock hinein erstreckt.Furthermore, an ignition is provided with which the fuel gas can be ignited. The ignition is in a recess of the Engine block arranged, which ends with the side surface and extends into the engine block.

Gemäß einer Ausführungsform kann eine Vorkammer vorgesehen sein, in welcher ein Injektor für die Zuführung des Brenngases und eine Zündung, beispielsweise in Form einer Zündkerze, vorgesehen ist. Die Zündung erfolgt dann in der Vorkammer und die Flammenfront breitet sich anschließend in den mit Brenngas gefüllten Brennraum aus.According to one embodiment, an antechamber can be provided, in which an injector for supplying the fuel gas and an ignition, for example in the form of a spark plug, is provided. Ignition then takes place in the antechamber and the flame front then spreads into the combustion chamber filled with fuel gas.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform können an einem Ende der Vorkammer düsenförmig ausgebildete Öffnungen vorgesehen sein, mit welchen fächerförmige Plasmastrahlen erzeugt werden können, die in einen Zündkanal münden, der mit dem Brennraum verbunden ist.According to a further embodiment, nozzle-shaped openings can be provided at one end of the antechamber, with which fan-shaped plasma jets can be generated, which open into an ignition channel which is connected to the combustion chamber.

Öffnungen zur Zuführung des Brenngases sowie für die Abführung des Abgases, und Zündung sind vorzugsweise an den Spitzen eines rechtwinkligen Dreiecks angeordnet, wobei die Hypotenuse zwischen der Einlassöffnung und der Zündung verläuft und die Auslassöffnung an der Spitze des Dreiecks angeordnet ist.Openings for supplying the fuel gas and for discharging the exhaust gas and ignition are preferably arranged at the tips of a right-angled triangle, with the hypotenuse running between the inlet opening and the ignition and the outlet opening being arranged at the tip of the triangle.

Gemäß einer Ausführungsform sind Einlass- und Auslassöffnungen sowie Zündung an den Ecken eines gleichschenkligen Dreiecks angeordnet, wobei die Grundseite zwischen Auslassöffnung und Einlassöffnung verläuft und die Zündung an der Spitze des Dreiecks angeordnet ist.According to one embodiment, inlet and outlet openings as well as ignition are arranged at the corners of an isosceles triangle, with the base running between the outlet opening and inlet opening and the ignition being arranged at the tip of the triangle.

Die Öffnungen sind so angeordnet, dass sie bei einem Umlauf des Rotors mit den im Rotor für den Einlass des Brenngases bzw. den Auslass des Abgases bzw. der Zündung vorgesehenen Öffnungen zur Deckung gelangen.The openings are arranged so that when the rotor rotates, they coincide with the openings provided in the rotor for the inlet of the fuel gas or the outlet of the exhaust gas or the ignition.

Die beiden Seitenflächen des Aufnahmeraums werden durch eine Umlauffläche verbunden. Die Umlauffläche ist im Wesentlichen senkrecht zu den Seitenflächen angeordnet. Die Umlauffläche weist in einer Richtung parallel zu den Seitenflächen eine Krümmung auf, vorzugsweise die Krümmung einer Ellipse. Die Krümmung der Umlauffläche entspricht der Bewegung eines Kolbens, den dieser während eines Umlaufs des Rotors in der Kolbenbohrung ausführt.The two side surfaces of the receiving space are connected by a circulation surface. The circulation area is essentially arranged perpendicular to the side surfaces. The circumferential surface has a curvature in a direction parallel to the side surfaces, preferably the curvature of an ellipse. The curvature of the circulating surface corresponds to the movement of a piston that it carries out in the piston bore during one revolution of the rotor.

Wie die Ellipse ist auch der Kreis als deren Sonderform vollkommen symmetrisch mit der Rotorachse im Schnittpunkt von Lang- und Kurzachse als Grundlage des vollkommenen Massenausgleichs in der Rotation.Like the ellipse, the circle as its special shape is completely symmetrical with the rotor axis at the intersection of the long and short axes as the basis for complete mass balance in rotation.

Die Umlauffläche kann plan ausgeführt sein. Es ist nach einer Ausführungsform jedoch auch möglich, die Umlauffläche senkrecht zum Umfang der Umlauffläche mit einem Profil oder einer Krümmung auszubilden. Die Krümmung der Umlauffläche entspricht zumindest abschnittsweise dem Profil einer Kontaktfläche an einem Ende des Kolbens, der im Rotor angeordnet ist und eine translatorische Bewegung ausführt. Auf diese Weise kann eine Führung des Kolbens erreicht werden und Kräfte aufgefangen werden, die senkrecht zur Umlaufrichtung des Rotors auftreten können.The circulation area can be flat. However, according to one embodiment, it is also possible to design the circumferential surface with a profile or a curvature perpendicular to the circumference of the circumferential surface. The curvature of the circulating surface corresponds at least in sections to the profile of a contact surface at one end of the piston, which is arranged in the rotor and carries out a translational movement. In this way, the piston can be guided and forces that can occur perpendicular to the direction of rotation of the rotor can be absorbed.

Die zwischen Kolbenende und Umlauffläche auftretende Gleitreibung kann gemäß einer Ausführungsform durch eine Lagerkugel am bzw. im Kolbenende durch verminderte Rollreibung ersetzt werden.According to one embodiment, the sliding friction that occurs between the piston end and the circulating surface can be replaced by reduced rolling friction by a bearing ball on or in the piston end.

Der Aufnahmeraum kann an sich beliebig dimensioniert werden. Die Dimension ist bestimmt durch den Verwendungszweck des Monoblockrotationsmotors, also durch die Leistung, die durch den Monoblockrotationsmotor zur Verfügung gestellt werden soll.The recording space can be of any size. The dimension is determined by the intended use of the monoblock rotary motor, i.e. by the power that is to be provided by the monoblock rotary motor.

Die zur Verfügung stehende Leistung wird unter anderem durch die Größe der Brennräume bzw. die Größe der Kolbenbohrungen, in denen die frei beweglichen Kolben aufgenommen sind, bestimmt.The available power is determined, among other things, by the size of the combustion chambers or the size of the piston bores in which the freely movable pistons are accommodated.

Wird der Monoblockrotationsmotor beispielsweise für den Antrieb eines Personenkraftfahrzeugs eingesetzt, also z.B. einem Fahrzeug mit einer Masse von bis zu etwa 2 Tonnen, weist der Aufnahmeraum gemessen in Richtung der längeren Achse der Ellipse geeignet eine Länge im Bereich von 400 bis 450 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 500 bis 550 mm und gemäß einer noch weiteren Ausführungsform eine Länge im Bereich von 600 bis 650 mm auf. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Aufnahmeraum gemessen in Richtung der kürzeren Achse der Ellipse eine Ausdehnung im Bereich von 500 bis 550, gemäß einer weiteren Ausführungsform eine Ausdehnung im Bereich von 400 bis 450 mm und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform eine Ausdehnung im Bereich von 300 bis 350 mm auf.If the monoblock rotary motor is used, for example, to drive a passenger vehicle, for example a vehicle with a mass of up to approximately 2 tons, the receiving space, measured in the direction of the longer axis of the ellipse, has a length in the range of 400 to 450 mm, according to another Embodiment in the range of 500 to 550 mm and according to yet another embodiment a length in the range of 600 to 650 mm. According to a further embodiment, the receiving space measured in the direction of the shorter axis of the ellipse has an extent in the range from 500 to 550 mm, according to a further embodiment an extent in the range from 400 to 450 mm and according to yet another embodiment an extent in the range from 300 to 350 mm.

Die Differenz in der Ausdehnung in Richtung der längeren und der kürzeren Achse der Ellipse entspricht dabei dem Hub der im Rotor angeordneten frei beweglichen Kolben.The difference in expansion in the direction of the longer and shorter axes of the ellipse corresponds to the stroke of the freely movable pistons arranged in the rotor.

Die Ausdehnung des Aufnahmeraums in einer Richtung senkrecht zu den Seitenwänden, also in Richtung der Achse eines im Aufnahmeraum aufgenommenen Rotors, entspricht im Wesentlichen der Breite des Rotors. Gemäß einer Ausführungsform weist der Aufnahmeraum eine Ausdehnung in Richtung senkrecht zu den Seitenwänden im Bereich von 310 bis 360 mm, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 250 bis 300 mm, und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform eine Ausdehnung im Bereich von 170 bis 220 mm auf.The extent of the receiving space in a direction perpendicular to the side walls, i.e. in the direction of the axis of a rotor accommodated in the receiving space, essentially corresponds to the width of the rotor. According to one embodiment, the receiving space has an extent in the direction perpendicular to the side walls in the range of 310 to 360 mm, according to a further embodiment in the range of 250 to 300 mm, and according to yet another embodiment an extent in the range of 170 to 220 mm .

Der Aufnahmeraum kann zur Außenseite des Motorblocks geöffnet sein, sodass ein Druckausgleich zwischen Aufnahmeraum und Umgebung ermöglicht ist. Auf diese Weise lässt sich ein Überdruck, der sich in einem abgeschlossenen Aufnahmeraum z.B. durch Temperaturänderungen aufbaut, leicht vermeiden. Dazu können entsprechende Bohrungen im Motorblock vorgesehen sein, die zu Ausgleichsbehältern führen oder mit der Umgebung in Verbindung stehen.The receiving space can be open to the outside of the engine block, so that pressure equalization between the receiving space and the environment is possible. In this way, excess pressure that builds up in a closed recording space, for example due to temperature changes, can easily be avoided. For this purpose, corresponding holes can be provided in the engine block, which lead to expansion tanks or are connected to the environment.

Eine besonders kleine, kompakte Ausführungsform des Motors kann gemäß einer Ausführungsform über eine Hydraulikpumpe mit einem hydrostatischen Speicher verbunden sein. Der hydrostatische Speicher kann wiederum mit einem Antriebs- und Bremssystem verbunden sein, das über hydraulische Radmotoren für den Antrieb verfügt. Im Bremsfall arbeiten die hydraulischen Radmotoren als Hydraulikpumpen, sodass nahezu die gesamte Bremsenergie im hydrostatischen Speicher rekuperiert werden kann. Der Motor kann dann mit konstanter Drehzahl und konstantem Drehmoment im Bestpunkt intermittierend ohne Lastwechsel arbeitend den hydrostatischen Speicher nach Bedarf wieder aufladen. Moderne Hydraulikmotoren erreichen Wirkungsgrade von 97 Prozent und lassen sich über Hydraulik-Transformatoren viel einfacher als Elektromotoren steuern bei gleichzeitig höherer Leistungsdichte, was den Einsatz als Radnabenmotoren an allen vier Rädern ermöglicht bei Verminderung der ungefederten Massen gegenüber einem herkömmlichen Bremssystem. Die kompakte, leichte Ausführung des Motors kann vorzugsweise mit einem Wasserstoff-Feststoff-Wechselspeicher kombiniert werden.According to one embodiment, a particularly small, compact embodiment of the engine can be connected to a hydrostatic accumulator via a hydraulic pump. The hydrostatic accumulator can in turn be connected to a drive and braking system that has hydraulic wheel motors for the drive. When braking, the hydraulic wheel motors work as hydraulic pumps, so that almost all of the braking energy can be recuperated in the hydrostatic accumulator. The engine can then work at a constant speed and constant torque at the best point, intermittently without load changes, and recharge the hydrostatic accumulator as required. Modern hydraulic motors achieve efficiencies of 97 percent and can be controlled much more easily than electric motors using hydraulic transformers, while at the same time having a higher power density, which enables them to be used as wheel hub motors on all four wheels while reducing the unsprung masses compared to a conventional braking system. The compact, lightweight design of the engine can preferably be combined with a hydrogen-solid-state removable storage system.

In dem Aufnahmeraum des Motorblocks ist ein Rotor aufgenommen, der im Aufnahmeraum eine Rotationsbewegung um seine Achse ausführen kann.A rotor is accommodated in the receiving space of the engine block and can carry out a rotational movement about its axis in the receiving space.

Der Rotor ist rotationssymmetrisch zu seiner Achse ausgeführt und weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Form einer Scheibe auf.The rotor is designed to be rotationally symmetrical about its axis and, according to a preferred embodiment, has the shape of a disk.

Der Rotor kann massiv ausgeführt sein, also durchgängig aus einem geeigneten Material aufgebaut sein. Geeignete Materialien sind aus dem Motorenbau bekannte Materialien, wie Stahl oder Aluminium. Geeignet sind weiterhin beispielsweise auch keramische Materialien, insbesondere solche keramischen Materialien, welche eine geringe thermische Ausdehnung aufweisen und karbonkeramische Materialien mit selbstschmierenden Eigenschaften für den Trockenlauf.The rotor can be solid, i.e. constructed entirely from a suitable material. Suitable materials are materials known from engine construction, such as steel or aluminum. Ceramic materials, for example, are also suitable, in particular ceramic materials that have low thermal expansion and carbon ceramic materials with self-lubricating properties for dry running.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor zur Gewichtsersparnis aber auch in seinem Inneren Ausnehmungen, Bohrungen oder Hohlräume aufweisen.According to a further embodiment, the rotor can also have recesses, bores or cavities in its interior to save weight.

Der Rotor ist so dimensioniert, dass er im Aufnahmeraum aufgenommen werden kann. Seine Breite, also die Ausdehnung in Richtung der Rotorachse, wird im Wesentlichen durch die Dimensionierung von Zylinderbohrungen bestimmt, die im Rotor eingebracht sind. Die Wandstärke der Zylinderbohrung wird dabei bevorzugt so gewählt, dass an der dünnsten Stelle eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist, um die im Betrieb des Monoblockrotationsmotors auftretenden Kräfte aufnehmen zu können.The rotor is dimensioned so that it can be accommodated in the recording room. Its width, i.e. the extent in the direction of the rotor axis, is essentially determined by the dimensions of the cylinder bores that are made in the rotor. The wall thickness of the cylinder bore is preferably chosen so that sufficient stability is ensured at the thinnest point in order to be able to absorb the forces that occur during operation of the monoblock rotary engine.

Ferner ist die Breite des Rotors so gewählt, dass der Rotor mit seinen Seitenflächen an den Seitenflächen des Aufnahmeraums anliegt. Zwischen den Seitenflächen des Rotors und den Seitenflächen des Aufnahmeraums kann ein Spalt vorgesehen sein, in welchen Schmier- oder Kühlmittel eingebracht werden kann.Furthermore, the width of the rotor is selected so that the rotor rests with its side surfaces on the side surfaces of the receiving space. A gap into which lubricant or coolant can be introduced can be provided between the side surfaces of the rotor and the side surfaces of the receiving space.

Der Durchmesser des Rotors, also seine Ausdehnung senkrecht zur Rotorachse, wird kleiner gewählt als die kürzere Achse der Ellipse, welche die Krümmung der Umlauffläche des Aufnahmeraums im Motorblock beschreibt.The diameter of the rotor, i.e. its extent perpendicular to the rotor axis, is chosen to be smaller than the shorter axis of the ellipse, which describes the curvature of the circumferential surface of the receiving space in the engine block.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Durchmesser des Rotors geringer gewählt als die kürzere Achse der Ellipse. Gemäß einer Ausführungsform ist der Durchmesser des Rotors um 5 bis 10 % geringer als die kürzere Achse der Ellipse, gemäß einer weiteren Ausführungsform um 7 bis 15 % kürzer als die kürzere Achse der Ellipse, und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform um 8 bis 20 % kürzer als die kürzere Achse der Ellipse.According to one embodiment, the diameter of the rotor is chosen to be smaller than the shorter axis of the ellipse. According to one embodiment, the diameter of the rotor is 5 to 10% smaller than the shorter axis of the ellipse, according to another embodiment, 7 to 15% shorter than the shorter axis of the ellipse, and according to yet another embodiment, 8 to 20% shorter as the shorter axis of the ellipse.

In den Kolbenbohrungen des Rotors sind Kolben aufgenommen, welche eine translatorische Bewegung ausführen, mit einem unteren Totpunkt, an dem der Kolben den kürzesten Abstand zur Rotorachse aufweist, und einem oberen Totpunkt, an dem der Kolben den größten Abstand zur Rotorachse aufweist.Pistons are accommodated in the piston bores of the rotor, which carry out a translational movement, with a bottom dead center at which the piston is at the shortest distance from the rotor axis, and a top dead center at which the piston is at the greatest distance from the rotor axis.

Der Durchmesser des Rotors wird so gewählt, dass im oberen Totpunkt der Kolben sicher in der Kolbenbohrung geführt wird.The diameter of the rotor is chosen so that the piston is guided securely in the piston bore at top dead center.

Die Seitenflächen des Rotors werden durch eine Umfangsfläche verbunden. Die Umfangsfläche entspricht dem Umfang des Rotors. Sie ist im Wesentlichen parallel zur Rotorachse angeordnet. Sie ist rotationssymmetrisch ausgebildet, sodass eine gleichmäßige Rotation des Rotors erreicht wird.The side surfaces of the rotor are connected by a peripheral surface. The peripheral area corresponds to the circumference of the rotor. It is arranged essentially parallel to the rotor axis. It is designed to be rotationally symmetrical, so that a uniform rotation of the rotor is achieved.

Im einfachsten Fall weist die Umfangsfläche in Rotationsrichtung eine kreisförmige Krümmung auf. Die Umfangsfläche kann aber in Rotationsrichtung auch ein Profil aufweisen, beispielsweise ein Wellenprofil.In the simplest case, the peripheral surface has a circular curvature in the direction of rotation. However, the peripheral surface can also have a profile in the direction of rotation, for example a wave profile.

Senkrecht zur Rotationsrichtung kann die Umfangsfläche im einfachsten Fall plan ausgebildet sein. Gemäß einer Ausführungsform kann die Umfangsfläche aber auch senkrecht zur Rotationsrichtung ein Profil aufweisen. Beispielsweise kann die Umfangsfläche senkrecht zur Rotationsrichtung eine Krümmung aufweisen, beispielsweise eine kreisförmige oder eine parabelförmige Krümmung.In the simplest case, the peripheral surface can be flat perpendicular to the direction of rotation. According to one embodiment, the peripheral surface can also have a profile perpendicular to the direction of rotation. For example, the peripheral surface can have a curvature perpendicular to the direction of rotation, for example a circular or a parabolic curvature.

Zentral in den Seitenflächen des Rotors ist eine Rotationsachse vorgesehen, die in den Achsaufnahmen des Motorblocks aufgenommen ist. Die Rotationsachse kann einstückig mit dem Rotor ausgebildet sein. Es ist aber gemäß einer Ausführungsform auch möglich, die Rotationsachse getrennt vom Rotor auszubilden und die Achse in eine entsprechende Aufnahmeöffnung des Rotors einzupassen.A rotation axis is provided centrally in the side surfaces of the rotor and is accommodated in the axle mounts of the engine block. The axis of rotation can be formed in one piece with the rotor. However, according to one embodiment, it is also possible to design the axis of rotation separately from the rotor and to fit the axis into a corresponding receiving opening in the rotor.

Es können in der Achsaufnahme Lager vorgesehen sein, beispielsweise Rollen oder Kugellager, sodass der Rotor ohne wesentliche Reibung in der Achsaufnahme rotiert.Bearings can be provided in the axle mount, for example rollers or ball bearings, so that the rotor rotates in the axle mount without significant friction.

Der Rotor kann gleichmäßig rotieren und weist keine Unwucht auf.The rotor can rotate evenly and has no imbalance.

Im Rotor ist zumindest ein Paar radial zur Rotorachse angeordnete Kolbenbohrungen vorgesehen.At least one pair of piston bores arranged radially to the rotor axis is provided in the rotor.

Die Kolbenbohrungen liegen gemäß einer Ausführungsform auf einer gemeinsamen Achse, die senkrecht zur Rotationsachse durch den Mittelpunkt des Rotors verläuft. Entlang dieser Achse erfolgt dann auch die translatorische Bewegung der in den Kolbenbohrungen aufgenommenen frei beweglichen Kolben. Die Massenkräfte, die sich durch die Bewegung der Kolben in den Kolbenbohrungen ergeben, heben sich auf, wenn sich die Kolben jeweils gegensinnig bewegen. Dadurch wird eine hohe Laufruhe des Motors erreicht.According to one embodiment, the piston bores lie on a common axis which runs perpendicular to the axis of rotation through the center of the rotor. The translational movement of the freely movable pistons accommodated in the piston bores then also takes place along this axis. The mass forces that result from the movement of the pistons in the piston bores cancel out when the pistons move in opposite directions. This ensures that the engine runs very smoothly.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Achsen der Kolbenbohrungen, entlang denen die translatorische Bewegung der Kolben erfolgt, relativ zu einer Achse, die senkrecht durch die Rotorachse verläuft und in der Rotationsebene des Rotors liegt, gekippt. Es ist nur ein kleiner Kippwinkel erforderlich. Der zwischen den beiden Achsen eingeschlossenen Kippwinkel wird gemäß einer Ausführungsform in einem Bereich von 0,1 bis 10°, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 0,5 bis 5, und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 1 bis 4° gewählt.According to one embodiment, the axes of the piston bores, along which the translational movement of the pistons takes place, are tilted relative to an axis that runs perpendicularly through the rotor axis and lies in the plane of rotation of the rotor. Only a small tilt angle is required. The tilt angle included between the two axes is selected in a range from 0.1 to 10° according to one embodiment, in the range from 0.5 to 5° according to a further embodiment, and in the range from 1 to 4° according to yet another embodiment.

Die Kolbenbohrungen sind jeweils paarweise angeordnet, sodass sich eine geradzahlige Anzahl von Kolbenbohrungen ergibt.The piston bores are each arranged in pairs, so that there is an even number of piston bores.

Gemäß einer ersten Ausführungsform sind zwei Kolbenbohrungen vorgesehen. Die Kolbenbohrungen sind rotationssymmetrisch zueinander angeordnet.According to a first embodiment, two piston bores are provided. The piston bores are arranged rotationally symmetrically to one another.

Bei zwei Kolbenbohrungen haben also nach einer Drehung von 180° die Kolbenbohrungen ihre Plätze getauscht.With two piston bores, the piston bores have swapped places after a rotation of 180°.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind 4 Kolbenbohrungen vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist eine Drehung des Rotors um einen Winkel von 90° erforderlich, um die Stellung der Kolbenbohrungen ineinander zu überführen. Sind im Rotor 6 Kolbenbohrungen vorgesehen, ist entsprechend eine Drehung des Rotors um jeweils einen Winkel von 60° erforderlich. Es ist auch möglich eine noch höhere Anzahl von Kolbenbohrungen vorzusehen, beispielsweise 8, 10, 12 oder 16 Kolbenbohrungen.According to a further embodiment, 4 piston bores are provided. In this embodiment, the rotor must be rotated through an angle of 90° in order to align the position of the piston bores. If 6 piston bores are provided in the rotor, the rotor must be rotated by an angle of 60°. It is also possible to provide an even higher number of piston bores, for example 8, 10, 12 or 16 piston bores.

Eine Ausführung mit vier radialen Kolbenbohrungen halbiert den Abstand von Kolbenmitte zu Kolbenmitte. Dadurch kann die Laufruhe erhöht werden und der Verlauf der Drehmomentkurve wird noch gleichmäßiger. Dieser Effekt erhöht sich bei Verwendung einer noch höheren Anzahl von Kolbenbohrungen und sorgt für extreme Laufruhe.A version with four radial piston bores halves the distance from piston center to piston center. This allows smooth running to be increased and the torque curve to become even more uniform. This effect increases with Use of an even higher number of piston bores and ensures extremely smooth running.

Die Kolbenbohrungen können einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Es ist aber auch möglich, andere Querschnitte vorzusehen, beispielsweise einen ovalen Querschnitt oder einen ellipsoiden Querschnitt. Die Kolbenbohrungen weisen jeweils einen konstanten Querschnitt auf, sodass ein in der Kolbenbohrung aufgenommener Kolben frei beweglich eine translatorische Bewegung ausführen kann. An dem der Rotationsachse zugewandten Ende, das von der Bewegung des Kolbens ausgespart ist, kann sich der Querschnitt der Kolbenbohrung verändern und beispielsweise verjüngen. Ebenso kann sich die Kolbenbohrung an dem der Rotationsachse abgewandten Ende verjüngen.The piston bores can have a circular cross section. However, it is also possible to provide other cross sections, for example an oval cross section or an ellipsoidal cross section. The piston bores each have a constant cross section, so that a piston accommodated in the piston bore can carry out a translational movement in a freely movable manner. At the end facing the axis of rotation, which is exempt from the movement of the piston, the cross section of the piston bore can change and, for example, taper. Likewise, the piston bore can taper at the end facing away from the axis of rotation.

Die Kolbenbohrungen weisen an dem der Rotationsachse abgewandten Ende, also auf der Seite der rotationssymmetrischen Umfangsfläche, eine Öffnung auf.The piston bores have an opening at the end facing away from the axis of rotation, i.e. on the side of the rotationally symmetrical peripheral surface.

Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Form der Öffnung dem Querschnitt des in der Kolbenbohrung aufgenommenen Kolbens. Der Kolben kann dadurch am oberen Totpunkt der translatorischen Bewegung, wenn der Kolben also den größten Abstand zur Rotationsachse des Rotors aufweist, über die Umfangsfläche des Rotors hinausragen.According to one embodiment, the shape of the opening corresponds to the cross section of the piston accommodated in the piston bore. The piston can thereby protrude beyond the peripheral surface of the rotor at the top dead center of the translational movement, i.e. when the piston is at the greatest distance from the axis of rotation of the rotor.

Es ist aber auch möglich, die Öffnung kleiner als den Querschnitt des Kolbens vorzusehen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft, wenn der Kolben an der der Rotationsachse des Rotors abgewandten Seite einen verjüngten Abschnitt aufweist, der durch die Öffnung geführt ist. Der Querschnitt der Öffnung entspricht dann vorteilhaft dem Querschnitt des verjüngten Abschnitts. Am Ende des verjüngten Abschnitts ist die Abstützfläche des Kolben angeordnet, mit welcher sich der Kolben auf der Umlauffläche des im Motorblock angeordneten Aufnahmeraums abstützt.However, it is also possible to make the opening smaller than the cross section of the piston. This is advantageous, for example, if the piston has a tapered section on the side facing away from the axis of rotation of the rotor, which is guided through the opening. The cross section of the opening then advantageously corresponds to the cross section of the tapered section. At the end of the tapered section is the Support surface of the piston is arranged, with which the piston is supported on the circumferential surface of the receiving space arranged in the engine block.

Ferner weist die Kolbenbohrung an einem der Rotationsachse zugewandten endständigen Abschnitt eine Öffnung auf, die zu einem Kanal führt, der eine Verbindung zu einer Öffnung in der Seitenfläche des Rotors herstellt.Furthermore, the piston bore has an opening at an end section facing the axis of rotation, which leads to a channel which establishes a connection to an opening in the side surface of the rotor.

Die in der Kolbenbohrung vorgesehene Öffnung ist so angeordnet, dass sie, wenn sich der in der Kolbenbohrung angeordnete Kolben an seinem unteren Totpunkt befindet, also den geringsten Abstand zur Rotationsachse aufweist, nicht vom Kolben verschlossen wird. Die Öffnung kann in der Seitenwand der Kolbenbohrung angeordnet sein oder in der endständigen Fläche der Kolbenbohrung, die auf der Seite der Rotationsachse angeordnet ist.The opening provided in the piston bore is arranged in such a way that it is not closed by the piston when the piston arranged in the piston bore is at its bottom dead center, i.e. at the smallest distance from the axis of rotation. The opening may be arranged in the side wall of the piston bore or in the terminal surface of the piston bore which is arranged on the side of the rotation axis.

Die in der Seitenwand des Rotors angeordnete Verbindungsöffnung, die durch einen Kanal mit der Öffnung in der Wand der Kolbenbohrung verbunden ist, ist so positioniert, dass sie bei einer Rotation des Rotors mit den in der Seitenwand des Aufnahmeraums des Motorblocks vorgesehenen Öffnungen des Kanals für die Zuführung des Brenngases, des Kanals für die Abführung der Abgase sowie der Zündung zur Deckung gelangt.The connection opening arranged in the side wall of the rotor, which is connected by a channel to the opening in the wall of the piston bore, is positioned so that when the rotor rotates, it communicates with the openings of the channel provided in the side wall of the receiving space of the engine block The supply of the fuel gas, the channel for the removal of the exhaust gases and the ignition are covered.

Die Öffnung in der Seitenwand des Aufnahmeraums und die Öffnung im Rotor wirken daher als Drehschieber, der den Durchgang der Kanäle zu definierten Zeitpunkten des Arbeitstaktes, also während der Rotation des Rotors, freigibt. Zu diesen Zeitpunkten kann dann frisches Brenngas in den Brennraum einströmen, gezündet werden bzw. Abgas ausgestoßen werden.The opening in the side wall of the receiving space and the opening in the rotor therefore act as a rotary valve that releases the passage of the channels at defined times in the work cycle, i.e. during the rotation of the rotor. At these times, fresh fuel gas can then flow into the combustion chamber, be ignited or exhaust gas can be expelled.

Kommt die Öffnung in der Seitenfläche des Rotors mit der Zündung zur Deckung, wird das im Brennraum enthaltene verdichtete Brenngas entzündet. Die Zündung kann im Motorblock vorgesehen sein. Bei dieser Ausführungsform ist nur eine Zündvorrichtung bzw. Vorkammerzündung für alle Kolben erforderlich. Es ist aber auch möglich, eine Zündung im Rotor vorzusehen. In diesem Fall sind Kontakte auf der Seite des Motorblocks, also in der Seitenwand des Aufnahmeraums, sowie auf der Seite des Rotors vorgesehen, die während der Rotation des Rotors zur Deckung gelangen und so einen Kontakt zur Zündung im Rotor herstellen.If the opening in the side surface of the rotor coincides with the ignition, the compressed fuel gas contained in the combustion chamber is ignited. The ignition can be provided in the engine block. In this embodiment, only one ignition device or prechamber ignition is required for all pistons. But it is also possible to provide ignition in the rotor. In this case, contacts are provided on the side of the engine block, i.e. in the side wall of the receiving space, and on the side of the rotor, which come into contact during the rotation of the rotor and thus establish contact for ignition in the rotor.

Der Monoblockrotationsmotor kann auch nach dem Prinzip eines Dieselmotors betrieben werden. In diesem Fall entfällt die Zündung bzw. die zur Zündung vorgesehenen Vorrichtungen.The monoblock rotary engine can also operate on the principle of a diesel engine. In this case, there is no need for ignition or the devices provided for ignition.

In der im Rotor vorgesehenen Kolbenbohrung ist ein frei beweglicher Kolben angeordnet. Der Kolben liegt mit einer Kontaktfläche an der Wand der Kolbenbohrung an. Die Kontaktfläche wird durch die Umfangsfläche des Kolbens gebildet, mit welcher der Kolben an der Wand der Kolbenbohrung entlanggleitet. Der Spalt zwischen Kolbenbohrung und Kontaktfläche des Kolbens ist gasdicht ausgebildet. Dazu kann eine Dichtung vorgesehen sein. Diese kann den Kolben umfassen und dicht an der Wand der Kolbenbohrung entlang laufen. Alternativ kann der Spalt so schmal gewählt werden, dass eine Abdichtung erreicht wird.A freely movable piston is arranged in the piston bore provided in the rotor. The piston rests with a contact surface on the wall of the piston bore. The contact surface is formed by the peripheral surface of the piston, with which the piston slides along the wall of the piston bore. The gap between the piston bore and the contact surface of the piston is designed to be gas-tight. A seal can be provided for this purpose. This can encompass the piston and run close to the wall of the piston bore. Alternatively, the gap can be chosen so narrow that a seal is achieved.

Der Kolben weist eine Brennraumfläche auf, die einem Brennraum zugewandt ist. Die Brennraumfläche entspricht der Fläche des Kolbens, die der Rotorachse zugewandt ist. Der Brennraum wird von der Wand der Kolbenbohrung und der Brennraumfläche gebildet. In den Brennraum kann über die in der Kolbenbohrung vorgesehenen Öffnung Brenngas eingeführt bzw. Abgas aus dem Brennraum abgeführt werden kann.The piston has a combustion chamber surface that faces a combustion chamber. The combustion chamber area corresponds to the area of the piston that faces the rotor axis. The combustion chamber is formed by the wall of the piston bore and the combustion chamber surface. The combustion chamber can be accessed via the piston bore Fuel gas can be introduced into the opening provided and exhaust gas can be removed from the combustion chamber.

Am der Brennraumfläche entgegengesetzten Ende des Kolbens ist eine Abstützfläche angeordnet. Mit der Abstützfläche kann sich der Kolben an der Umlauffläche des im Motorblock ausgebildeten Aufnahmeraums abstützen.A support surface is arranged at the end of the piston opposite the combustion chamber surface. With the support surface, the piston can be supported on the circumferential surface of the receiving space formed in the engine block.

Da der Kolben in der Kolbenbohrung frei beweglich ist, kann er eine translatorische Bewegung ausführen. Dadurch verändert sich auch das Volumen des Brennraums.Since the piston is freely movable in the piston bore, it can carry out a translational movement. This also changes the volume of the combustion chamber.

Der Kolben wird durch die bei der Rotation des Rotors auftretenden Zentrifugalkräfte nach außen bewegt und legt sich mit seiner Abstützfläche an der Umlauffläche des Aufnahmeraums an. Die Abstützfläche des Kolbens kann eine kleinere Ausdehnung haben als der Querschnitt des Kolbens. Die Abstützfläche kann auch die Form einer Linie oder eines Punkts annehmen.The piston is moved outwards by the centrifugal forces that occur when the rotor rotates and its support surface rests on the circumferential surface of the receiving space. The support surface of the piston can have a smaller size than the cross section of the piston. The support surface can also take the form of a line or a point.

Durch die Rotation des Rotors wird die Abstützfläche des Kolbens entlang der Umlauffläche des Aufnahmeraums bewegt. Da die Umlauffläche eine elliptische Krümmung aufweist, sich der Abstand zwischen Rotorachse und Umlauffläche während der Rotation des Rotors also verändert, wird auch eine translatorische Bewegung des Kolbens in der Kolbenbohrung induziert. Dabei gelangt der Kolben an einen unteren Totpunkt, wenn der Rotor so steht, dass sich die Abstützfläche am Ort des geringsten Durchmessers der Ellipse aufhält. Die Brennfläche des Kolbens weist dann den geringsten Abstand zur Rotationsachse des Rotors auf und der Brennraum weist das geringste Volumen auf. Bewegt sich der Rotor weiter, folgt die Abstützfläche des frei beweglichen Kolbens der Krümmung der Umlauffläche des Aufnahmeraums im Motorblock. Der Abstand der Brennfläche des Kolbens von der Rotorachse nimmt zu. Damit nimmt auch das Volumen des Brennraums zu, bis der Rotor schließlich so steht, dass die Abstützfläche des Kolbens am Ort des größten Durchmessers der ellipsenförmigen Umlauffläche angelangt. Damit erreicht die Brennfläche den größten Abstand zur Rotationsachse und damit der Brennraum sein größtes Volumen und der Kolben seinen oberen Totpunkt. Rotiert der Rotor weiter, nimmt der Abstand zwischen Rotorachse und Abstützfläche des Kolbens, mit welcher dieser an der elliptischen Umlauffläche des Aufnahmeraums anliegt, wieder ab, bis wieder ein Minimum des Volumens des Brennraums am unteren Totpunkt des Kolbens erreicht wird, d.h. wenn die Abstützfläche des Kolbens am Ort des geringsten Durchmessers der Ellipse der Umlauffläche angelangt ist. Bei einer weiteren Drehung des Rotors vergrößert sich das Volumen des Brennraums wieder, bis der Kolben wieder seinen oberen Totpunkt erreicht, d.h. die Brennfläche wieder den größten Abstand zur Rotationsachse des Rotors und der Brennraum sein maximales Volumen erreicht.The rotation of the rotor moves the support surface of the piston along the circumferential surface of the receiving space. Since the circulating surface has an elliptical curvature, meaning that the distance between the rotor axis and the circulating surface changes during the rotation of the rotor, a translational movement of the piston is also induced in the piston bore. The piston reaches a bottom dead center when the rotor is positioned so that the support surface is at the location of the smallest diameter of the ellipse. The combustion surface of the piston is then at the smallest distance from the axis of rotation of the rotor and the combustion chamber is at its smallest volume. If the rotor continues to move, the support surface of the freely movable piston follows the curvature of the circumferential surface of the receiving space in the engine block. The distance of the The combustion area of the piston from the rotor axis increases. This also increases the volume of the combustion chamber until the rotor is finally positioned in such a way that the support surface of the piston reaches the location of the largest diameter of the elliptical circulating surface. This means that the combustion surface reaches its greatest distance from the axis of rotation and thus the combustion chamber reaches its largest volume and the piston reaches its top dead center. If the rotor continues to rotate, the distance between the rotor axis and the support surface of the piston, with which it rests on the elliptical circumferential surface of the receiving space, decreases again until a minimum of the volume of the combustion chamber is reached again at the bottom dead center of the piston, that is, when the support surface of the Piston has reached the location of the smallest diameter of the ellipse of the circulating surface. With a further rotation of the rotor, the volume of the combustion chamber increases again until the piston reaches its top dead center again, ie the combustion surface is once again at the greatest distance from the axis of rotation of the rotor and the combustion chamber reaches its maximum volume.

Eine Rotation des Rotors kann also in vier Arbeitstakte zerlegt werden. Dabei erreicht der Brennraum in zwei Takten sein minimales Volumen und der Kolben gelangt an den unteren Totpunkt seiner translatorischen Bewegung und in zwei Takten erreicht der Brennraum sein maximales Volumen und der Kolben gelangt an den oberen Totpunkt seiner translatorischen Bewegung.A rotation of the rotor can therefore be broken down into four work cycles. The combustion chamber reaches its minimum volume in two cycles and the piston reaches the bottom dead center of its translational movement and in two cycles the combustion chamber reaches its maximum volume and the piston reaches the top dead center of its translational movement.

Der erste Arbeitstakt beginnt, wenn der Kolben seinen unteren Totpunkt erreicht. Die Abstützfläche befindet sich am Ort der Umlauffläche, an dem der Durchmesser der Ellipse ein Minimum aufweist. Am unteren Totpunkt dreht sich die Bewegungsrichtung des Kolbens in der Kolbenbohrung um. Bewegt sich der Rotor in Rotationsrichtung weiter, bewegt sich der Kolben getrieben von der Zentrifugalkraft nach außen von der Rotationsachse des Rotors weg. Dabei gelangt die in der Seitenfläche des Rotors vorgesehene Verbindungsöffnung des Kanals zum Brennraum zur Deckung mit der im Verbindungsraum vorgesehenen Öffnung des Kanals für eine Zuführung eines Brenngases. Damit kann Brenngas von außen in den Brennraum gelangen.The first work cycle begins when the piston reaches its bottom dead center. The support surface is located at the location of the circulating surface where the diameter of the ellipse has a minimum. At bottom dead center, the direction of movement of the piston in the piston bore reverses. If the rotor moves further in the direction of rotation, the piston moves driven by the centrifugal force outwards away from the axis of rotation of the rotor. The connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor coincides with the opening of the channel provided in the connecting space for supplying a fuel gas. This allows fuel gas to enter the combustion chamber from outside.

Durch die Bewegung des Kolbens vergrößert sich das Volumen des Brennraums und Brenngas strömt in den Brennraum. Das Brenngas kann aktiv in den Kolben eingebracht werden, beispielsweise indem das Brenngas bzw. Teile des Brenngases zuvor verdichtet werden, beispielsweise mittels eines Kompressors oder eines Turboladers, oder durch die Bewegung des Kolbens in den Brennraum gesaugt werden.As the piston moves, the volume of the combustion chamber increases and fuel gas flows into the combustion chamber. The fuel gas can be actively introduced into the piston, for example by previously compressing the fuel gas or parts of the fuel gas, for example by means of a compressor or a turbocharger, or by sucking it into the combustion chamber through the movement of the piston.

Hat sich der Rotor um 90° gedreht, erreicht die Abstützfläche des freibeweglichen Kolbens den maximalen Abstand von der Rotorachse. Die in der Seitenfläche des Rotors vorgesehene Verbindungsöffnung des Kanals zum Brennraum hat die im Verbindungsraum vorgesehenen Öffnung des Kanals für eine Zuführung eines Brenngases passiert und damit ist die Zuführung des Brenngases verschlossen. Der Brennraum ist nun nach außen hin abgedichtet. Es beginnt der zweite Arbeitstakt.Once the rotor has rotated through 90°, the support surface of the freely movable piston reaches the maximum distance from the rotor axis. The connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor has passed the opening of the channel provided in the connecting space for supplying a fuel gas and the supply of the fuel gas is therefore closed. The combustion chamber is now sealed from the outside. The second work cycle begins.

Dreht sich der Rotor weiter bleibt die in der Seitenfläche des Rotors vorgesehene Verbindungsöffnung des Kanals zum Brennraum verschlossen, während sich der Kolben in Richtung auf die Rotorachse zu bewegt. Das Volumen des Brennraums nimmt ab, bis Abstützfläche des Kolbens den Ort auf der elliptischen Bahn der Umlauffläche erreicht, an dem die Ellipse ihren geringsten Durchmesser aufweist. Der Brennraum weist nun das geringste Volumen auf und das Brenngas erreicht seine maximale Verdichtung. Der Rotor hat sich um weitere 90° gedreht. Es beginnt der dritte Arbeitstakt.If the rotor continues to rotate, the connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor remains closed while the piston moves towards the rotor axis. The volume of the combustion chamber decreases until the support surface of the piston reaches the place on the elliptical path of the circulating surface at which the ellipse has its smallest diameter. The combustion chamber now has the lowest volume and the fuel gas reaches its maximum compression. The rotor has rotated another 90°. The third work cycle begins.

Die in der Seitenfläche des Rotors vorgesehene Verbindungsöffnung des Kanals zum Brennraum gelangt nun mit der im Motorblock vorgesehenen Zündung bzw. mit den entsprechenden Kontakten, falls die Zündvorrichtung im Rotor vorgesehen ist, zur Deckung. Es wird eine Zündung ausgelöst und das im Brennraum vorhandene Brenngas zur Explosion gebracht.The connection opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor now coincides with the ignition provided in the engine block or with the corresponding contacts if the ignition device is provided in the rotor. Ignition is triggered and the fuel gas present in the combustion chamber explodes.

Durch die Explosion erhöht sich der Druck im Brennraum und der Kolben wird nach außen von der Rotorachse weg gepresst. Der Druck wird weitergegeben, sodass der Druck, den die Abstützfläche des Kolbens auf die elliptische Umlauffläche des Aufnahmeraums ausübt, steigt. Dadurch bewegt sich die Abstützfläche des Kolbens auf der elliptischen Umlauffläche des Aufnahmeraums in Richtung auf den Punkt, an dem die Ellipse einen maximalen Durchmesser aufweist. Da der Rotor eine träge Masse besitzt bewegt er sich über den unteren Totpunkt des Kolbens hinweg und wird beschleunigt. Diese Beschleunigung überträgt sich auf die Rotorachse und kann dort abgenommen werden.The explosion increases the pressure in the combustion chamber and the piston is pushed outwards away from the rotor axis. The pressure is passed on so that the pressure that the support surface of the piston exerts on the elliptical circumferential surface of the receiving space increases. As a result, the support surface of the piston moves on the elliptical circumferential surface of the receiving space towards the point at which the ellipse has a maximum diameter. Since the rotor has an inert mass, it moves past the bottom dead center of the piston and is accelerated. This acceleration is transferred to the rotor axis and can be picked up there.

Der Rotor rotiert um 90° weiter, bis die Abstützfläche des Rotors den Punkt auf der Umlauffläche des im Motorblock vorgesehenen Aufnahmeraums erreicht, an welchem die Ellipse den maximalen Durchmesser aufweist. Der Kolben gelangt an seinen oberen Totpunkt, an dem die Brennfläche ihren maximalen Abstand zur Rotorachse erreicht. Der Brennraum hat sein maximales Volumen erreicht. Es beginnt der vierte Arbeitstakt.The rotor continues to rotate through 90° until the support surface of the rotor reaches the point on the circumferential surface of the receiving space provided in the engine block at which the ellipse has the maximum diameter. The piston reaches its top dead center, where the combustion surface reaches its maximum distance from the rotor axis. The combustion chamber has reached its maximum volume. The fourth work cycle begins.

Dreht sich der Rotor in Rotationsrichtung weiter, bewegt sich die Abstützfläche des Kolbens auf der elliptischen Bahn der Umlauffläche des im Motorblock vorgesehenen Aufnahmeraums weiter. Da der Durchmesser der Ellipse abnimmt, wird der Kolben in der Kolbenbohrung in Richtung auf die Rotorachse bewegt und das Volumen des Brennraums nimmt ab.If the rotor continues to rotate in the direction of rotation, the support surface of the piston moves further along the elliptical path of the circumferential surface of the receiving space provided in the engine block. As the diameter of the ellipse decreases, the Piston in the piston bore moves towards the rotor axis and the volume of the combustion chamber decreases.

Die in der Seitenfläche des Rotors vorgesehene Verbindungsöffnung des Kanals zum Brennraum gelangt nun mit der im Motorblock vorgesehenen Öffnung des Kanals für eine Abführung von Abgasen zur Deckung. Die Verbindung zwischen Brennraum und Kanal für eine Abführung von Abgasen wird freigegeben und das im Brennraum vorhandene Abgas kann ausgestoßen werden. Der Kolben erreicht schließlich den unteren Totpunkt, an dem die Brennfläche den geringsten Abstand zur Rotorachse und der Brennraum das geringste Volumen aufweist. Damit ist der vierte Arbeitstakt abgeschlossen. Der Rotor hat eine Rotation um 360° ausgeführt und gelangt damit wieder in die Ausgangsstellung. Es beginnt eine neue Arbeitsabfolge mit einem ersten Arbeitstakt.The connecting opening of the channel to the combustion chamber provided in the side surface of the rotor now coincides with the opening of the channel provided in the engine block for the removal of exhaust gases. The connection between the combustion chamber and the channel for exhaust gases is released and the exhaust gas present in the combustion chamber can be expelled. The piston finally reaches bottom dead center, where the combustion surface has the smallest distance to the rotor axis and the combustion chamber has the smallest volume. This completes the fourth work cycle. The rotor has rotated through 360° and returns to its original position. A new work sequence begins with a first work cycle.

Im Betrieb führen die im Rotor in den Kolbenbohrungen mitdrehenden Kolben durch die Führung der halbkugelförmigen Kolbenenden an der elliptischen Gehäuseinnenkontur paarweise gegenüberliegend gegenläufige Kolbenbewegungen aus. Dies sorgt in der Rotation dank der Symmetrie für einen vollkommenen automatischen Massenausgleich und eine hohe Laufruhe. Während einer Rotorumdrehung durchlaufen alle Zylinder mit ihren Kolben nacheinander die vier Takte nach dem Prinzip des Ottomotors oder Dieselmotors. Dies geschieht in sequenzieller Reihenfolge nacheinander, d. h. in einer Konfiguration z. B. mit vier Zylindern im Monoblockrotor befindet sich jeder Zylinder mit seinem Kolben in einem anderen der vier Takte. Das bedeutet, dass innerhalb einer Rotorumdrehung in diesem Fall auch vier Arbeitstakte stattfinden. Dazu werden nur eine Zündkerze im Zündkanal und ein Gasinjektor im Ansaugkanal bei externer Gemischaufbereitung benötigt. Auch eine Gasdirektinjektion für interne Gemischaufbereitung ist möglich mit einer gegenüberliegenden axialen Bohrung für jeden Zylinder für einen Gasdirektinjektor im Gasinjektorkanal auf der gegenüberliegenden Gehäuseseite.During operation, the pistons rotating in the piston bores in the rotor carry out opposing piston movements in pairs opposite each other due to the guidance of the hemispherical piston ends on the elliptical inner housing contour. Thanks to the symmetry, this ensures complete automatic mass balancing and extremely smooth running during rotation. During one rotor revolution, all cylinders and their pistons go through the four cycles one after the other according to the principle of the gasoline engine or diesel engine. This happens one after the other in a sequential order, i.e. in a configuration e.g. B. with four cylinders in a monoblock rotor, each cylinder with its piston is in a different one of the four cycles. This means that in this case four work cycles take place within one rotor revolution. All that is required is a spark plug in the ignition channel and a gas injector in the intake channel with external mixture preparation. Direct gas injection for internal mixture preparation is also possible with an opposite axial bore for each cylinder for a gas direct injector in the gas injector channel on the opposite side of the housing.

In der einfachsten Ausführungsform sind im Rotor zwei Kolbenbohrungen vorgesehen. Diese können durch eine Drehung des Rotors um einen Winkel von 180° ineinander überführt werden. Die Kolben des Paares bewegen sich jeweils gleichförmig auf die Rotorachse zu bzw. von dieser weg. Dadurch werden Massenkräfte, die durch die Bewegung der Kolben erzeugt werden, aufgehoben. Der Motor hat dadurch eine sehr hohe Laufruhe.In the simplest embodiment, two piston bores are provided in the rotor. These can be converted into one another by rotating the rotor through an angle of 180°. The pistons of the pair each move uniformly towards or away from the rotor axis. This cancels out mass forces generated by the movement of the pistons. This means the engine runs very smoothly.

Es ist aber auch möglich, mehr als ein Paar gegenüberliegend angeordneter Kolbenbohrungen im Rotor vorzusehen.However, it is also possible to provide more than one pair of oppositely arranged piston bores in the rotor.

Gemäß einer Ausführungsform sind im Rotor 4 Kolbenbohrungen vorgesehen, in welchen jeweils frei bewegliche Kolben aufgenommen sind. Die Kolbenbohrungen sind gemäß einer Ausführungsform in Form eines Kreuzes angeordnet, d.h. benachbarte Kolbenbohrungen können durch eine Drehung des Rotors um einen Winkel von 90° ineinander überführt werden.According to one embodiment, 4 piston bores are provided in the rotor, in each of which freely movable pistons are accommodated. According to one embodiment, the piston bores are arranged in the form of a cross, i.e. adjacent piston bores can be converted into one another by rotating the rotor through an angle of 90°.

Der Motorblock kann wie oben beschrieben ausgeführt werden und benötigt keine weiteren Kanäle für die Zuführung des Brenngases, die Abführung des Abgases bzw. die Zündung.The engine block can be designed as described above and does not require any additional channels for supplying the fuel gas, discharging the exhaust gas or ignition.

Am Rotor ist jeweils für jede Bohrung ein Kanal vorgesehen, der in einer auf der Seitenfläche des Rotors angeordneten Verbindungsöffnung mündet.A channel is provided on the rotor for each bore, which opens into a connection opening arranged on the side surface of the rotor.

Es ist aber auch möglich, 3, 4 oder auch mehr Paare von Kolbenbohrungen vorzusehen. Die Kolbenbohrungen sind sternförmig im Rotor angeordnet. Die Kolbenbohrungen sind rotationssymmetrisch zueinander angeordnet.But it is also possible to provide 3, 4 or even more pairs of piston bores. The piston bores are arranged in a star shape in the rotor. The piston bores are arranged rotationally symmetrically to one another.

Die Kolbenbohrungen weisen bevorzugt einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es ist aber auch möglich, andere Querschnitte zu verwirklichen, beispielsweise einen ovalen Querschnitt.The piston bores preferably have a circular cross section. But it is also possible to realize other cross sections, for example an oval cross section.

Die Brennraumfläche des in der Kolbenbohrung aufgenommenen frei beweglichen Kolbens kann plan ausgeführt sein. Es ist aber auch möglich, die Brennraumfläche gewölbt auszuführen oder erhabene Strukturen auf der Brennraumfläche vorzusehen, beispielsweise um eine bestimmte Bewegung des Brenngases im Brennraum zu induzieren.The combustion chamber surface of the freely movable piston accommodated in the piston bore can be designed to be flat. However, it is also possible to make the combustion chamber surface curved or to provide raised structures on the combustion chamber surface, for example in order to induce a certain movement of the fuel gas in the combustion chamber.

Wie oben beschrieben, wird die Befüllung des Brennraums mit Brenngas bzw. die Abführung des Abgases aus dem Brennraum über eine Drehschiebersteuerung gesteuert, indem die im Rotor vorgesehene Verbindungsöffnung an den in den Seitenflächen des Aufnahmeraums vorgesehenen Öffnungen des Kanals für die Zuführung des Brenngases und/oder des Kanals für die Abführung des Abgases vorbeigeführt wird und dadurch die Verbindung zum Brennraum hergestellt wird.As described above, the filling of the combustion chamber with fuel gas or the removal of the exhaust gas from the combustion chamber is controlled via a rotary valve control in that the connection opening provided in the rotor is connected to the openings of the channel for the supply of the fuel gas and/or provided in the side surfaces of the receiving space the channel for discharging the exhaust gas is passed and the connection to the combustion chamber is thereby established.

Das gilt auch für den Zündkanal, in den die aktive Vorkammerzündung mit den ggf. an ihrem Ende über Düsenöffnungen aufgefächerten Plasmastrahlen, die lateral weit in den Brennraum hineinreichen, um möglichst viele Cluster gleichzeitig zu zünden, um insbesondere für den Betrieb mit Wasserstoffgas sich dem Ideal der Gleichraumverbrennung anzunähern.This also applies to the ignition channel, in which the active prechamber ignition with the plasma jets, possibly fanned out at their end via nozzle openings, which extend laterally far into the combustion chamber in order to ignite as many clusters as possible at the same time, in order to be ideal, especially for operation with hydrogen gas to approach constant-space combustion.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Öffnungen in der Seitenwand des Aufnahmeraums bzw. die Verbindungsöffnung in der Seitenfläche des Rotors kreisförmig ausgeführt.According to one embodiment, the openings in the side wall of the receiving space or the connection opening in the side surface of the rotor are circular.

Es ist jedoch auch möglich, die Öffnungen in einer anderen Gestalt auszuführen. Beispielsweise können die Öffnungen mit einem rechteckigen oder ovalen Umfang auszuführen.However, it is also possible to design the openings in a different shape. For example, the openings can be designed with a rectangular or oval circumference.

Gemäß einer Ausführungsform sind die in den Seitenflächen des Aufnahmeraums des Motorblocks vorgesehenen Öffnungen des Kanals für die Zuführung des Brenngases und/oder des Kanals für die Abführung des Abgases als bogenförmige Langlöcher ausgebildet.According to one embodiment, the openings of the channel for supplying the fuel gas and/or the channel for discharging the exhaust gas provided in the side surfaces of the receiving space of the engine block are designed as arcuate elongated holes.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Krümmung der Langlöcher kreisförmig ausgeführt. Auf diese Weise folgt die im Rotor vorgesehen Öffnung der Gestalt des Langlochs in der Seitenwand des Aufnahmeraums.According to one embodiment, the curvature of the elongated holes is circular. In this way, the opening provided in the rotor follows the shape of the elongated hole in the side wall of the receiving space.

Es ist jedoch auch möglich, die Verbindungsöffnung des Rotors als bogenförmiges Langloch auszubilden. Auf diese Weise steht ebenfalls pro Umdrehung eine längere Zeitspanne für die Zu- bzw. Abführung des Brenngases bzw. des Abgases zur Verfügung.However, it is also possible to design the connection opening of the rotor as an arcuate elongated hole. In this way, a longer period of time is also available per revolution for the supply or removal of the fuel gas or the exhaust gas.

Der frei bewegliche Kolben kann so ausgestaltet sein, dass die Abstützfläche als Gleitfläche ausgebildet ist, die auf der Umlauffläche des Aufnahmeraums entlanggleitet.The freely movable piston can be designed in such a way that the support surface is designed as a sliding surface that slides along the circumferential surface of the receiving space.

Die Reibung zwischen Abstützfläche und Umlauffläche kann verringert werden, indem an der Seite der Abstützfläche des Kolbens eine Aufnahme für einen Rotationskörper vorgesehen ist, in welchem ein Rotationskörper aufgenommen ist und sich der Kolben über den Rotationskörper an der Umlauffläche des Aufnahmeraums im Motorblock abstützt.The friction between the support surface and the circulating surface can be reduced by providing a receptacle for a rotating body on the side of the supporting surface of the piston, in which a rotating body is accommodated and the piston is supported via the rotating body on the circulating surface of the receiving space in the engine block.

Der Rotationskörper rollt dann auf der Umlauffläche des Aufnahmeraums entlang.The rotating body then rolls along the circumferential surface of the receiving space.

Der Rotationskörper kann eine Rolle oder eine Kugel sein.The body of revolution can be a roller or a ball.

Die Kugelform erlaubt auch die Kolbenbewegung um dessen Längsachse und damit ein "Einlaufen" des frei beweglichen Kolbens.The spherical shape also allows the piston to move around its longitudinal axis and thus "run in" of the freely movable piston.

Die Achse des Rollkörpers, um welche er sich bei einer Fortbewegung auf der Umlauffläche des Aufnahmeraums fortbewegt, kann auf der Längsachse des Kolbens liegen. Längsachse des Kolbens und Rotationsachse des Rotationskörpers schneiden sich dann also.The axis of the rolling body, around which it moves when moving on the circumferential surface of the receiving space, can lie on the longitudinal axis of the piston. The longitudinal axis of the piston and the rotation axis of the rotating body then intersect.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Rotationsachse des Rotationskörpers in Richtung der Rotation des Rotors gesehen, auch vor oder hinter der Längsachse des Kolbens angeordnet sein.According to a further embodiment, the axis of rotation of the rotating body, viewed in the direction of rotation of the rotor, can also be arranged in front of or behind the longitudinal axis of the piston.

Der Kolben ist in der Kolbenbohrung frei beweglich und wird durch die Fliehkraft des rotierenden Rotors bzw. durch den im Brennraum entstehenden Druck gegen die elliptische Umlauffläche des Aufnahmeraums gepresst.The piston is freely movable in the piston bore and is pressed against the elliptical circumferential surface of the receiving space by the centrifugal force of the rotating rotor or by the pressure generated in the combustion chamber.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Längsachse der frei beweglichen Kolben, entlang der die translatorische Bewegung der Kolben erfolgt, relativ zur Normalen der Umlauffläche des Aufnahmeraums des Motorblocks gekippt.According to one embodiment, the longitudinal axis of the freely movable pistons, along which the translational movement of the pistons takes place, is tilted relative to the normal of the circumferential surface of the receiving space of the engine block.

Wird die Abstützfläche des Kolbens durch den bei der Verbrennung des Brenngases im Brennraum entwickelten Druck auf die Umlauffläche des im Motorblock vorgesehenen Aufnahmeraums gepresst, wird eine Kraftkomponente tangential zur Umlauffläche des Aufnahmeraums erhalten. Diese setzt den Rotor in Rotationsbewegung.If the support surface of the piston is pressed onto the circumferential surface of the receiving space provided in the engine block by the pressure developed during the combustion of the fuel gas in the combustion chamber, a force component tangential to the circumferential surface of the receiving space is obtained. This sets the rotor in rotation.

Es ist nur ein kleiner Kippwinkel nötig, um auch durch Platzierung und Lagerung z. B. der Kugel als Rollkörper am Kolbenende die Rotationsbewegung des Rotors in Drehrichtung zu unterstützen.Only a small tilt angle is necessary to ensure placement and storage, e.g. B. the ball as a rolling body at the end of the piston to support the rotational movement of the rotor in the direction of rotation.

Der Kippwinkel zur Normalen der Umlauffläche wird gemäß einer Ausführungsform in einem Bereich von 0,1 bis 10°, gemäß einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 0,5 bis 5, und gemäß noch einer weiteren Ausführungsform im Bereich von 1 bis 4° gewählt.According to one embodiment, the tilt angle to the normal of the circulating surface is in a range of 0.1 to 10 °, according to one in a further embodiment in the range from 0.5 to 5, and according to yet another embodiment in the range from 1 to 4°.

Für die Zündung des Brenngases können Zündkerzen verwendet werden, wie sie aus bisher üblichen Otto-Motoren bekannt sind. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Zündung als Plasmazündung ausgebildet.Spark plugs can be used to ignite the fuel gas, as are known from conventional gasoline engines. According to a further embodiment, the ignition is designed as a plasma ignition.

Dabei werden Kerzen mit integriertem kapazitivem Subsystem eingesetzt, um nach dem Erreichen der Überschlagspannung mit dem Zündfunken dank der gespeicherten Energie zusätzlich einen Plasmapuls von vorzugsweise zwei bis drei Nanosekunden mit vorzugsweise etwa fünf Megawatt auszulösen. Besonders vorteilhaft kann die Zündung auch als bereits bekannte reine Plasmazündung praktisch verschleißfrei erfolgen. Mit den weiten Zündgrenzen kann dieser Motor mager und ungedrosselt betrieben werden.Candles with an integrated capacitive subsystem are used in order to trigger an additional plasma pulse of preferably two to three nanoseconds with preferably around five megawatts thanks to the stored energy after the flashover voltage has been reached with the ignition spark. Particularly advantageously, the ignition can also be carried out practically without wear as an already known pure plasma ignition. With the wide ignition limits, this engine can be operated lean and unthrottled.

Die im Motorblock angeordnete Zündung kann gemäß einer Ausführungsform einen Zündkanal umfassen, in welcher die Zündung angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform ist die Zündung als aktive Vorkammerplasmazündung ausgelegt. Gemäß einer Ausführungsform ist die Zündung mit einer kapazitiven Plasmapulszündkerze bzw. mit einer in miniaturisierter Mikrowellentechnik ausgelegten Plasmazündkerze ausgestattet, die am Ende der Vorkammer den Plasmastrahl strahlenförmig aufgefächert tief in den Brennraum schickt. Auf diese Weise kann im Magerbetrieb eine vollständige gleichraumähnliche Verbrennung erreicht werden.According to one embodiment, the ignition arranged in the engine block can comprise an ignition channel in which the ignition is arranged. According to one embodiment, the ignition is designed as an active prechamber plasma ignition. According to one embodiment, the ignition is equipped with a capacitive plasma pulse spark plug or with a plasma spark plug designed using miniaturized microwave technology, which sends the plasma jet deep into the combustion chamber in a fan-shaped form at the end of the antechamber. In this way, complete, equispace-like combustion can be achieved in lean operation.

In der Vorkammer sind gemäß einer Ausführungsform Zündung, beispielsweise eine Zündkerze, und Gasinjektor für die geringe Gasmenge der Vorkammerzündung dicht nebeneinander in der Vorkammer angeordnet.According to one embodiment, the antechamber contains ignition, for example a spark plug, and a gas injector for the small amount Gas quantity of the pre-chamber ignition arranged close together in the pre-chamber.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Motorblock und der Rotor zumindest abschnittsweise aus einem diamantähnlichen Kohlenstoffmaterial aufgebaut, wobei zumindest die Flächen des Aufnahmeraums, des Rotors und der Kolben, die an einer anderen Fläche anliegen, aus dem diamantähnlichen Kohlenstoffmaterial gebildet sind.According to a particularly preferred embodiment, the engine block and the rotor are constructed at least in sections from a diamond-like carbon material, with at least the surfaces of the receiving space, the rotor and the pistons, which rest on another surface, being formed from the diamond-like carbon material.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Rotor und/oder der Motorblock aus dem diamantähnlichen Kohlenstoffmaterial aufgebaut.According to a further embodiment, the rotor and/or the engine block is constructed of the diamond-like carbon material.

Das bevorzugt verwendete diamantähnliche Kohlenstoffmaterial wird auch als "isostatischer Graphit" bezeichnet.The preferred diamond-like carbon material is also referred to as "isostatic graphite".

Isostatischer Graphit ist ein feinkörniger Graphit für spezifische Anwendungsgebiete, in denen die mechanischen Eigenschaften anderer Feinkorngraphite nicht ausreichen.Isostatic graphite is a fine-grain graphite for specific areas of application where the mechanical properties of other fine-grain graphites are not sufficient.

Die Bezeichnung "Isostatischer Graphit" steht für isostatisch geformten Graphit. Das bedeutet, dass das Rohmaterialgemisch in einer so genannten kaltisostatischen Presse (Cold-Isostatic-Press, CIP) zu rechteckigen oder runden Blöcken verdichtet wird.The term “Isostatic Graphite” stands for isostatically shaped graphite. This means that the raw material mixture is compacted into rectangular or round blocks in a so-called cold isostatic press (CIP).

Verglichen mit anderen Techniken kann mit dieser Technologie die isotropste Form von synthetischem Graphit hergestellt werden. Zudem weisen isostatische Graphite im Allgemeinen die kleinsten Korngrößen aller künstlichen Graphite auf.Compared to other techniques, this technology can produce the most isotropic form of synthetic graphite. In addition, isostatic graphites generally have the smallest grain sizes of all artificial graphites.

Die Produktion von isostatischem Graphit begann in den 1960er Jahren. Dieser isostatische Graphit ist beispielsweise aus Anwendungen der nuklearen und metallurgischen Industrie bekannt.The production of isostatic graphite began in the 1960s. This isostatic graphite is known, for example, from applications in the nuclear and metallurgical industries.

Typische Eigenschaften von isostatischem Graphit:

  • Extrem hohe thermische und chemische Beständigkeit
  • Hervorragende Temperaturwechselbeständigkeit
  • Hohe elektrische Leitfähigkeit
  • Hohe Wärmeleitfähigkeit
  • Zunehmende Festigkeit bei steigender Temperatur
  • Leicht zu bearbeiten
  • In sehr hoher Reinheit < 5 ppm herstellbar
Typical properties of isostatic graphite:
  • Extremely high thermal and chemical resistance
  • Excellent resistance to temperature changes
  • High electrical conductivity
  • High thermal conductivity
  • Increasing strength with increasing temperature
  • Easy to edit
  • Can be produced in very high purity < 5 ppm

Ein derartiges Material wird beispielsweise von SGL Carbon unter der Bezeichnung SIGRAFINE® angeboten.Such a material is offered, for example, by SGL Carbon under the name SIGRAFINE ® .

Die Dichte von isostatischem Graphit liegt vorzugsweise im Bereich von 1,7 bis 1,86 kg/m3.The density of isostatic graphite is preferably in the range of 1.7 to 1.86 kg/m 3 .

Isostatischer Graphit weist ein charakteristisches Erscheinungsbild auf. Dies lässt sich z. B. mit Hilfe der Aufsichtmikroskopie feststellenIsostatic graphite has a characteristic appearance. This can be done e.g. B. determine with the help of supervisory microscopy

Isostatischer Graphit weist eine sehr hohe Wärmebeständigkeit auf und kann stark thermisch belastet werden. Ferner dehnt er sich beim Erwärmen praktisch nicht aus. So benötigen Flächen aus isostatischem Graphit, die aneinander vorbeigleiten, keine Schmierung und keine Kühlung.Isostatic graphite has a very high heat resistance and can be subjected to high thermal loads. Furthermore, it practically does not expand when heated. Surfaces made of isostatic graphite that slide past each other require no lubrication or cooling.

Bestehen sowohl die Wände der Kolbenbohrungen als auch die Anlageflächen der Kolben an den Kolbenbohrungen aus isostatischem Graphit, können die Kolben vorteilhaft ohne Kolbenringe oder Ölabstreifringe ausgeführt werden.If both the walls of the piston bores and the contact surfaces of the pistons on the piston bores are made of isostatic graphite, the pistons can advantageously be designed without piston rings or oil scraper rings.

Gemäß eine Ausführungsform sind Monoblockrotor und Kolben schmierungslos ausgebildetAccording to one embodiment, the monoblock rotor and piston are designed without lubrication

Der Monoblockrotationsmotor kann auch als doppelt wirkender Heißgasmotor nach dem Stirling-Prinzip analog der Anordnung von Sir William Siemens betrieben werden. Dazu werden doppeltwirkende Kolben jeweils mit Kolbenstangen versehen, die abgedichtet aus dem Monoblockrotor radial herausragen und dank der elliptischen Gehäuseinnenkontur geführt werden. Weitere axiale Bohrungen in die Zylinder sorgen in Umfangnähe des Rotors für die Gasführung auch an der Unterseite der doppeltwirkenden Kolben im Zusammenwirken mit den entsprechenden zusätzlichen Ein- und Auslasskanälen mit den taschenförmigen Ausnehmungen in der Gehäuseabdeckung. Die Kolbenunterseiten arbeiten stets mit dem kühlen Gas, was die Abdichtung der aus dem Rotor herausführenden Kolbenstangen erleichtert. In der bewährten Drehschiebersteuerung ist nun jede Kolbenunterseite über Kühler, Regenerator und Erhitzer auf der Gehäuseabdeckung mit der Kolbenoberseite seines Nachbarzylinders verbunden. Damit ergibt sich mit vier Zylindern mit 90 Grad Abstand von Zylindermitte zu Zylindermitte ein perfektes Zusammenspiel, wobei der gemeinsame Erhitzer auf der Gehäuseoberseite mit grünem Wasserstoff und / oder sehr vorteilhaft direkt solarthermisch betrieben werden kann.The monoblock rotary engine can also be used as a double-acting hot gas engine based on the Stirling principle, analogous to the arrangement operated by Sir William Siemens. For this purpose, double-acting pistons are each provided with piston rods that protrude radially from the monoblock rotor in a sealed manner and are guided thanks to the elliptical inner housing contour. Further axial bores in the cylinders near the circumference of the rotor ensure gas guidance on the underside of the double-acting pistons in cooperation with the corresponding additional inlet and outlet channels with the pocket-shaped recesses in the housing cover. The undersides of the pistons always work with the cool gas, which makes it easier to seal the piston rods leading out of the rotor. In the proven rotary valve control, each piston underside is now connected to the piston upper side of its neighboring cylinder via a cooler, regenerator and heater on the housing cover. This results in a perfect interaction with four cylinders with a 90 degree distance from cylinder center to cylinder center, whereby the common heater on the top of the housing can be operated with green hydrogen and / or very advantageously directly solar thermally.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist dazu vorgesehen, dass der Kolben auf der Seite der Abstützfläche sich zu einem Verlängerungsabschnitt verjüngt, welcher gasdicht durch die Umfangsfläche des Rotors geführt ist und der sich mit seinem Ende an der elliptischen Umlauffläche des Aufnahmeraums des Motorblocks abstützt.According to a further embodiment, it is provided that the piston on the side of the support surface tapers into an extension section which is guided in a gas-tight manner through the peripheral surface of the rotor and which is supported with its end on the elliptical circumferential surface of the receiving space of the engine block.

Insbesondere ist vorgesehen, dass auf der Seite des Verlängerungsabschnitts ein zweiter Brennraum, also ein Expansions- und Kompressionsraum, in der Kolbenbohrung ausgebildet ist und der zweite Brennraum, also der Expansionsund Kompressionsraum, mit einem Transferkanal verbunden ist, der vorzugsweise mit Kühler bzw. Erhitzer bzw. Regenerator verbunden ist, um die Gaswechsel vorzunehmen, wobei vorteilhaft eine gemeinsame Wärmequelle in Form eines Porenbrenners eingesetzt werden kann.In particular, it is provided that on the side of the extension section a second combustion chamber, i.e. an expansion and compression space, is formed in the piston bore and the second combustion chamber, i.e. the expansion and compression space, is connected to a transfer channel, which is preferably connected to a cooler or heater or .Regenerator is connected to carry out the gas exchange, whereby a common heat source in the form of a pore burner can advantageously be used.

Der Monoblockrotationsmotor eignet sich dank seiner kompakten Leichtbauweise, der Laufruhe, dem leisen Betrieb und dem hohen Wirkungsgrad hervorragend für den Einsatz in Straßenfahrzeugen. Die robuste und trotzdem kompakte Bauweise des Monoblockrotationsmotors bietet sich aber auch als kostengünstige Alternative zur Brennstoffzellenheizung und für die Kraftwärmekopplung in Midi-, Mini- und Micro-Blockheizkraftwerken an. Der vorteilhafte Einsatz additiver Fertigungsmethoden und die endformkonforme Produktion wie das Pressed-to-Size-Verfahren (PTS) der wenigen beweglichen Motorkomponenten führen bereits bei relativ niedrigen Stückzahlen zu großen Kostenvorteilen. Damit ist es möglich, mit dem Monoblockrotationsmotor Mini- und Micro-Blockheizkraftwerke zu realisieren, die mit Gasbrennwertheizungen konkurrieren und diese schon kurz- bis mittelfristig ersetzen können mit stetig wachsendem Anteil an grünem Wasserstoff im bestehenden Erdgasnetz für den Betrieb.The monoblock rotary motor is ideal for use in road vehicles thanks to its compact, lightweight design, smooth running, quiet operation and high efficiency. The robust yet compact design of the monoblock rotary motor also offers itself as a cost-effective alternative to fuel cell heating and for combined heat and power in midi, mini and micro cogeneration plants. The advantageous use of additive manufacturing methods and the final shape production such as the pressed-to-size process (PTS) of the few moving engine components lead to major cost advantages even at relatively low volumes. This makes it possible to use the monoblock rotary engine to create mini and micro cogeneration plants that compete with gas condensing boilers and can replace them in the short to medium term with a steadily growing proportion of green hydrogen in the existing natural gas network for operation.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bereitstellung einer Rotationsbewegung, wobei ein Monoblockrotationsmotor wie er oben beschrieben wurde, bereitgestellt wird, ein Brenngas in den Brennraum des Monoblockrotationsmotors eingebracht und zur Explosion gebracht wird.A further subject of the invention is therefore a method for providing a rotational movement, wherein a monoblock rotary engine as described above is provided, a fuel gas is introduced into the combustion chamber of the monoblock rotary engine and exploded.

Besonders bevorzugt enthält der Brennstoff Wasserstoffgas.The fuel particularly preferably contains hydrogen gas.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn reiner Sauerstoff für die Verbrennung des Kraftstoffs eingesetzt wird. Dazu können mit dem Motor verbundene bereits bekannte MIEC-Membranen ("Mixed Ionic Electronic Conductor") vorgesehen werden, die eine selektive Trennung von Sauerstoff aus der Luft ermöglichen. Damit entsteht bei der Verbrennung nur reiner Wasserdampf als Abgas. Darüber hinaus steht immer genügend Sauerstoff für die Verbrennung zur Verfügung. Der WasserstoffMonoblockrotationsmotor ist damit der klimaneutrale Verbrennungsmotor.It is particularly advantageous if pure oxygen is used to burn the fuel. For this purpose, already known MIEC membranes ("Mixed.) connected to the engine can be used Ionic Electronic Conductor"), which enable a selective separation of oxygen from the air. This means that only pure water vapor is produced as exhaust gas during combustion. In addition, there is always enough oxygen available for combustion. The hydrogen monoblock rotary engine is therefore the climate-neutral combustion engine.

Der Wasserstoffmotor fügt sich fast perfekt in bestehende Strukturen ein und ersetzt Diesel und Benziner. Während Batterien und Brennstoffzellen nach einigen Jahren zunehmend verschleißen, kann der H2-Motor über Jahrzehnte zuverlässig seinen Dienst tun. Staub, Temperaturschwankungen und harter Alltagsbetrieb können ihm nichts anhaben. All das dürfte für die meisten Anwendungsfälle den Ausschlag für den H2-Motor geben, der zudem bei hoher Last bereits den Wirkungsgrad der mobilen Brennstoffzelle erreicht und sogar übertrifft.The hydrogen engine fits almost perfectly into existing structures and replaces diesel and gasoline engines. While batteries and fuel cells increasingly wear out after a few years, the H2 engine can provide reliable service for decades. Dust, temperature fluctuations and harsh everyday use cannot harm it. All of this should be the deciding factor in favor of the H2 engine for most applications, which also reaches and even exceeds the efficiency of the mobile fuel cell at high loads.

Ist der Monoblockrotationsmotor in isostatischem Graphit ausgeführt, kann die Betriebstemperatur schnell erreicht werden.If the monoblock rotary motor is made of isostatic graphite, the operating temperature can be reached quickly.

Durch die sequentielle Abfolge aller Takte in den Kolbenbohrungen mit ihren Kolben kann gemäß einer Ausführungsform vorteilhaft nach jedem Auspufftakt eine Wasserinjektion in jeden Zylinder erfolgen, die sich sogleich in Dampf umwandelt, der arbeitend expandiert und die Kolben und den Monoblockrotor bewegt. Das Wasserkondensat aus der Wasserstoffverbrennung und der Wasserinjektion kann vorteilhaft wieder verwendet werden.Due to the sequential sequence of all cycles in the piston bores with their pistons, according to one embodiment, water can be injected into each cylinder after each exhaust cycle, which is immediately converted into steam, which expands while working and moves the pistons and the monoblock rotor. The water condensate from hydrogen combustion and water injection can be advantageously reused.

Die Wasserinjektion sorgt auch dafür, dass durch diese "innere Kühlung" hot spots vermieden werden, an denen sich bei Einsatz von Wasserstoffgas dieses sich selbst entzünden könnte.The water injection also ensures that this “internal cooling” avoids hot spots where hydrogen gas could self-ignite when used.

Ein Sensor zur innermotorischen Temperaturüberwachung kann vorteilhaft mit der Wasserinjektion gekoppelt werden, um die Temperatur unter der relativ hohen Wasserstoffzündtemperatur zu halten.A sensor for internal engine temperature monitoring can advantageously be coupled with the water injection in order to keep the temperature below the relatively high hydrogen ignition temperature.

Eine gemäß einer Ausführungsform vorgesehene Wärmeisolierung des Motorgehäuses kann sehr vorteilhaft sein, um die Wärmeverluste nach außen zu minimieren und die Effizienz weiter zu steigern.Thermal insulation of the motor housing provided according to one embodiment can be very advantageous in order to minimize heat losses to the outside and further increase efficiency.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann, insbesondere wenn eine vollständige Wärmeisolierung des Motorgehäuses vorgesehen ist, noch ein zweiter Monoblockrotationsmotor mit der Welle des ersten als reiner Expansionsmotor so gekoppelt werden, dass der Abgaskanal des ersten Motors mit dem Einlasskanal des zweiten Motors verbunden wird zur zusätzlichen Expansion und zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrads.According to a further advantageous embodiment, particularly if complete thermal insulation of the motor housing is provided, a second monoblock rotary motor can be coupled to the shaft of the first as a pure expansion motor in such a way that the exhaust duct of the first motor is connected to the inlet duct of the second motor for additional expansion and to increase overall efficiency.

Sehr vorteilhaft kann damit erstmals ein thermisch isolierter multipler Expansionsmotor ("TIME Engine") realisiert werden.This makes it very advantageous to realize a thermally insulated multiple expansion engine (“TIME Engine”) for the first time.

Die Erfindung betrifft daher auch eine Antriebseinheit umfassend zwei gekoppelte Monoblockrotationsmotoren, wie sie oben beschrieben wurden. Dabei ist ein erster Monoblockrotationsmotor als Hochdruckrotationsmotor ausgebildet und ein zweiter Monoblockrotationsmotor als Niederdruckrotationsmotor. Der Hochdruckmotor ist als Monoblockrotationsmotor ausgebildet, wie er oben beschrieben worden ist.The invention therefore also relates to a drive unit comprising two coupled monoblock rotary motors, as described above. A first monoblock rotary motor is designed as a high-pressure rotary motor and a second monoblock rotary motor is designed as a low-pressure rotary motor. The high-pressure motor is designed as a monoblock rotary motor, as described above.

Der Niederdruckrotationsmotor ist als reiner Expansionsmotor ausgebildet.The low-pressure rotary engine is designed as a pure expansion engine.

Der Niederdruckrotationsmotor ist im Wesentlichen baugleich mit dem Hochdruckrotationsmotor. Dem Niederdruckmotor wird jedoch kein Brenngas zugeführt sondern lediglich das Abgas, welches im ersten Monoblockrotationsmotor erzeugt wurde, und welches noch unter einem gewissen Restdruck steht. Dieser Restdruck des Abgases wird im zweiten Monoblockrotationsmotor genutzt, um die im Abgas enthaltene Energie in eine Rotation des Rotors des zweiten Monoblockrotationsmotors umzuwandeln. Der zweite Monoblockrotationmotor benötigt daher an sich keine Zündung und keine Brenngaszuführung.The low-pressure rotary engine is essentially identical in construction to the high-pressure rotary engine. The low pressure engine is However, no fuel gas is supplied but only the exhaust gas that was generated in the first monoblock rotary engine and which is still under a certain residual pressure. This residual pressure of the exhaust gas is used in the second monoblock rotary engine to convert the energy contained in the exhaust gas into rotation of the rotor of the second monoblock rotary engine. The second monoblock rotary engine therefore does not require any ignition and no supply of fuel gas.

Erster und zweiter Monoblockrotationsmotor sind über eine gemeinsame Antriebswelle verbunden. Die Dimensionierung der Expansionsräume des zweiten Monoblockrotationsmotors ergibt sich aus der Abgasmenge des ersten Monoblockrotationsmotors sowie dem Restdruck des Abgases.The first and second monoblock rotary motors are connected via a common drive shaft. The dimensioning of the expansion spaces of the second monoblock rotary engine results from the exhaust gas quantity of the first monoblock rotary engine and the residual pressure of the exhaust gas.

Die Abgasabführung des ersten Monoblockrotationsmotors ist dazu mit einer Gaszuführung des zweitenThe exhaust gas discharge of the first monoblock rotary engine is connected to a gas supply of the second

Monoblockrotationsmotors verbunden, sodass das Abgas des ersten Monoblockrotationsmotors in als reine Expansionsräume ausgebildete Brennräume des zweiten Monoblockrotationsmotors eingeleitet wird.Monoblock rotary engine connected, so that the exhaust gas from the first monoblock rotary engine is introduced into combustion chambers of the second monoblock rotary engine, which are designed as pure expansion spaces.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zumindest der erste Monoblockrotationsmotor mit einer Wärmeisolierung versehen, sodass die im Monoblockrotationsmotor erzeugte Wärme in erster Linie im Abgas verbleibt und für eine Erhöhung des Restdrucks des Abgases genutzt werden kann.According to a preferred embodiment, at least the first monoblock rotary engine is provided with thermal insulation, so that the heat generated in the monoblock rotary engine remains primarily in the exhaust gas and can be used to increase the residual pressure of the exhaust gas.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Die Figuren der Zeichnung zeigen:

Fig. 1:
eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Rotors des Monoblockrotationsmotors;
Fig. 2:
eine schematische dreidimensionale Darstellung eines Rotors des Monoblockrotationsmotors mit eingesetzten Kolben;
Fig. 3:
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den Motorblock des Monoblockrotationsmotors mit eingesetztem Rotor;
Fig. 4:
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch den Motorblock des Monoblockrotationsmotors mit eingesetztem Rotor, wobei Teile der Seitenwand des Motorblocks mit Zu- und Ableitung sowie Zündung dargestellt sind;
Fig. 5:
eine schematische perspektivische Darstellung des Motorblocks des Monoblockrotationsmotors mit eingesetztem Rotor und Teilen der Seitenwand des Motorblocks mit Zu- und Ableitung sowie Zündung in teilweiser Explosionsdarstellung;
Fig. 6:
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Rotor des Monoblockrotationsmotors mit vier Kolben, wobei die Achse eines Kolbens verkippt ist;
Fig. 7:
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch einen Rotor des Monoblockrotationsmotors mit sechs Kolben, wobei die Achse eines Kolbens verkippt ist;
Fig. 8:
eine schematische Darstellung eines Schnitts durch eine Vorkammerzündungsvorrichtung
Fig. 9:
eine schematische Darstellung einer Ausführungsform als Stirlingmotor;
Fig. 10:
eine schematische Darstellung des Prozesses zur Herstellung von isostatischem Graphit.
The invention is explained in more detail with reference to a drawing. The figures in the drawing show:
Fig. 1:
a schematic three-dimensional representation of a rotor of the monoblock rotary engine;
Fig. 2:
a schematic three-dimensional representation of a rotor of the monoblock rotary engine with pistons inserted;
Fig. 3:
a schematic representation of a section through the engine block of the monoblock rotary engine with the rotor inserted;
Fig. 4:
a schematic representation of a section through the engine block of the monoblock rotary engine with the rotor inserted, with parts of the side wall of the engine block with inlet and outlet lines as well as ignition being shown;
Fig. 5:
a schematic perspective view of the engine block of the monoblock rotary engine with the rotor inserted and parts of the side wall of the engine block with inlet and outlet lines as well as ignition in a partially exploded view;
Fig. 6:
a schematic representation of a section through a rotor of the monoblock rotary engine with four pistons, with the axis of a piston tilted;
Fig. 7:
a schematic representation of a section through a rotor of the monoblock rotary engine with six pistons, with the axis of a piston tilted;
Fig. 8:
a schematic representation of a section through an antechamber ignition device
Fig. 9:
a schematic representation of an embodiment as a Stirling engine;
Fig. 10:
a schematic representation of the process for producing isostatic graphite.

Fig. 1 zeigt einen scheibenförmigen Rotor 1 mit kreisrundem Umfang. Der Rotor weist eine Umfangsfläche 2 sowie Seitenflächen 3 auf. In die Umfangsfläche 2 sind kreisrunde Öffnungen 4 von Kolbenbohrungen 5 eingebracht. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform sind 4 Kolbenbohrungen vorgesehen, wovon in Fig. 1 zwei Öffnungen sichtbar sind. Fig. 1 shows a disk-shaped rotor 1 with a circular circumference. The rotor has a peripheral surface 2 and side surfaces 3. Circular openings 4 of piston bores 5 are made in the peripheral surface 2. At the in Fig. 1 In the embodiment shown, 4 piston bores are provided, of which in Fig. 1 two openings are visible.

In den Seitenflächen 3 sind vier Öffnungen 6 vorgesehen, die zu einem Kanal führen, der mit den Kolbenbohrungen 5 verbunden ist. Zentral in der Seitenfläche 3 ist eine Rotorachse 7 vorgesehen, um welcher sich Rotor 1 drehen kann.Four openings 6 are provided in the side surfaces 3, which lead to a channel which is connected to the piston bores 5. A rotor axis 7 is provided centrally in the side surface 3, around which the rotor 1 can rotate.

Fig. 2 zeigt den Rotor aus Fig. 1, wobei jedoch Kolben 8 in die Kolbenbohrungen 5 eingesetzt sind. Die Kolben 8 haben einen kreisförmigen Querschnitt und sind passgenau in die Kolbenbohrungen 8 eingepasst. Die Kolben 5 gleiten mit den Gleitflächen 9 an der Wand der Kolbenbohrung 5 entlang. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform können die Kolben 8 über die Umfangsfläche 2 des Rotors 1 hinausragen. An der Stirnseite der Kolben 9 sind Abstützflächen 10 angeordnet. Fig. 2 shows the rotor Fig. 1 , but pistons 8 are inserted into the piston bores 5. The pistons 8 have a circular cross section and are fitted precisely into the piston bores 8. The pistons 5 slide along the wall of the piston bore 5 with the sliding surfaces 9. At the in Fig. 2 In the embodiment shown, the pistons 8 can protrude beyond the peripheral surface 2 of the rotor 1. Support surfaces 10 are arranged on the end face of the pistons 9.

Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch den Motorblock 11. Im Motorblock 11 ist ein Aufnahmeraum 12 angeordnet, der von einer ellipsenförmigen Umlauffläche 13 begrenzt wird. Fig. 3 shows a longitudinal section through the engine block 11. A receiving space 12 is arranged in the engine block 11, which is delimited by an elliptical circumferential surface 13.

Im Aufnahmeraum 12 ist zentral ein Rotor 1 angeordnet. Rotor 1 hat einen kreisförmigen Querschnitt und wird von Umfangsfläche 2 begrenzt. Rotor 1 rotiert im Aufnahmeraum 12 um seine Rotorachse 7. In dem Rotor 1 sind 4 Kolbenbohrungen 5 vorgesehen, deren Längsachsen jeweils paarweise einen Winkel von 180° einschließen. Aus den Kolbenbohrungen 5 führen Kanäle zu den Seitenflächen des Rotors 1 und münden dort in Öffnungen 6. In den Kolbenbohrungen 5 sind jeweils frei bewegliche Kolben 8 eingesetzt, die in den Kolbenbohrungen 5 eine translatorische Bewegung ausführen können. Die frei beweglichen Kolben 8 liegen jeweils zur äußeren, der Rotorachse 7 abgewandten Seite mit ihren Abstützflächen 14 an der Umlauffläche 13 des Aufnahmeraums 12 an. Am der Abstützfläche entgegengesetzten Ende des Kolbens 8 ist jeweils eine Brennfläche 15 angeordnet, die mit der Kolbenbohrung 5 einen Brennraum 16 ausbildet.A rotor 1 is arranged centrally in the receiving space 12. Rotor 1 has a circular cross section and is delimited by peripheral surface 2. Rotor 1 rotates in the receiving space 12 about its rotor axis 7. Four piston bores 5 are provided in the rotor 1, the longitudinal axes of which each enclose an angle of 180° in pairs. Channels lead from the piston bores 5 to the side surfaces of the rotor 1 and open there into openings 6. Freely movable pistons 8 are inserted into the piston bores 5, which are in the piston bores 5 can carry out translational movements. The freely movable pistons 8 each rest on the outer side facing away from the rotor axis 7 with their support surfaces 14 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12. At the end of the piston 8 opposite the support surface, a combustion surface 15 is arranged, which forms a combustion chamber 16 with the piston bore 5.

Die vier Kolben 8a, 8b, 8c und 8d befinden sich jeweils in verschiedenen Arbeitstakten. Für die weitere Beschreibung wird angenommen, dass Rotor 1 im Uhrzeigersinn rotiert.The four pistons 8a, 8b, 8c and 8d are each in different work cycles. For further description it is assumed that rotor 1 rotates clockwise.

Kolben 8a befindet sich am Beginn des ersten Arbeitstaktes. Der Kolben 8a liegt mit seiner Abstützfläche 10 an der Umlauffläche 13 des Aufnahmeraums 12 an, welcher im Motorblock 11 vorgesehen ist. Die Brennfläche 15 weist den geringsten Abstand zur Rotorachse 7 auf und das Volumen des Brennraums 16 weist ein Minimum auf. Die Öffnung 6 ist so angeordnet, dass sie mit dem im Motorblock 11 vorgesehenen Kanal zur Zuführung des Brenngases (nicht dargestellt) kommuniziert.Piston 8a is at the beginning of the first work cycle. The piston 8a rests with its support surface 10 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12, which is provided in the engine block 11. The combustion surface 15 has the smallest distance to the rotor axis 7 and the volume of the combustion chamber 16 has a minimum. The opening 6 is arranged so that it communicates with the channel provided in the engine block 11 for supplying the fuel gas (not shown).

Dreht sich der Rotor 1 im Uhrzeigersinn, d.h. in der Darstellung der Fig. 3 nach rechts, wird der Kolben 8 in der Kolbenbohrung 5 durch die Zentrifugalkraft nach außen, d.h. von der Rotorachse 7 wegbewegt und legt sich mit seiner Abstützfläche 10 an der Umlauffläche 13 an und gleitet an dieser entlang. Da sich der Abstand zwischen Rotorachse 7 und Umlauffläche 13 vergrößert, führt der Kolben 8 eine translatorische Bewegung aus, die von der Rotorachse 7 weg gerichtet ist. Damit vergrößert sich auch das Volumen des Brennraums 16 und es wird durch Öffnung 6 und den daran anschließenden Kanal (nicht dargestellt) Brenngas in den Brennraum 16 eingesaugt.The rotor 1 rotates clockwise, ie in the illustration Fig. 3 To the right, the piston 8 in the piston bore 5 is moved outwards by the centrifugal force, ie away from the rotor axis 7 and rests with its support surface 10 on the circulating surface 13 and slides along it. Since the distance between the rotor axis 7 and the circulating surface 13 increases, the piston 8 carries out a translational movement which is directed away from the rotor axis 7. This also increases the volume of the combustion chamber 16 and fuel gas is sucked into the combustion chamber 16 through the opening 6 and the adjacent channel (not shown).

Kolben 8b zeigt die Stellung, in der Kolben 8b mit seiner Brennfläche 15 den maximalen Abstand zur Rotorachse 7 erreicht hat bzw. der Brennraum 16 sein maximales Volumen aufweist.Piston 8b shows the position in which piston 8b with its combustion surface 15 has reached the maximum distance from the rotor axis 7 or the combustion chamber 16 has its maximum volume.

Die Öffnung 6 des im Inneren des Rotors 1 verlaufenden Kanals zum Brennraum 16 hat die im Aufnahmeraum (nicht dargestellt) vorgesehene Öffnung zur Zuführung von Brenngas (nicht dargestellt) passiert und die Öffnung 6 liegt an der Seitenwand des Aufnahmeraums (nicht dargestellt) an und ist verschlossen. Bewegt sich der Rotor weiter in Uhrzeigersinn, Gleitet die Öffnung 6 weiter an der Seitenwand des Aufnahmeraums weiter und bleibt verschlossen. Der Kolben 8 gleitet weiter mit seiner Abstützfläche 10 an der Umlauffläche 13 des Aufnahmeraums im Motorblock entlang. Dadurch bewegt sich Kolben 8 in Richtung auf die Rotorachse 7 zu und das Volumen des Brennraums 16 verringert sich, d.h. das im Brennraum 16 enthaltene Brenngas wird verdichtet. Durch den im Brennraum 16zunehmenden Druck wird die Abstützfläche 10 fester gegen die Umlauffläche 13 gepresst, bis der Kolben schließlich die Stellung des Kolbens 8c erreicht.The opening 6 of the channel running inside the rotor 1 to the combustion chamber 16 has passed the opening provided in the receiving space (not shown) for supplying fuel gas (not shown) and the opening 6 rests on the side wall of the receiving space (not shown) and is locked. If the rotor continues to move clockwise, the opening 6 slides further along the side wall of the receiving space and remains closed. The piston 8 continues to slide with its support surface 10 along the circumferential surface 13 of the receiving space in the engine block. As a result, piston 8 moves in the direction of rotor axis 7 and the volume of combustion chamber 16 decreases, i.e. the fuel gas contained in combustion chamber 16 is compressed. Due to the increasing pressure in the combustion chamber 16, the support surface 10 is pressed more firmly against the circulating surface 13 until the piston finally reaches the position of the piston 8c.

In der Stellung des Kolbens 8c hat der Kolben und damit auch die Brennfläche 15 wieder den geringsten Abstand zur Rotorachse 7 erreicht. Das Volumen des Brennraums 16 erreicht ein Minimum und das im Brennraum 16 enthaltene Brenngas ist am höchsten verdichtet. Die Öffnung 6 des zum Brennraum 16 führenden Kanals gleitet an der Seitenfläche des im Motorblock 11 angeordneten Aufnahmeraums entlang, sodass der Brennraum 16 abgeschlossen verbleibt.In the position of the piston 8c, the piston and thus also the combustion surface 15 have again reached the smallest distance from the rotor axis 7. The volume of the combustion chamber 16 reaches a minimum and the fuel gas contained in the combustion chamber 16 is at its highest compression. The opening 6 of the channel leading to the combustion chamber 16 slides along the side surface of the receiving space arranged in the engine block 11, so that the combustion chamber 16 remains closed.

Bei der weiteren Rotation im Uhrzeigersinn gelangt Öffnung 6 mit der im Motorblock 11 angeordneten Zündung (nicht dargestellt) zur Deckung und das im Brennraum 16 enthaltene Gemisch wird gezündet und zur Explosion gebracht. Dadurch steigt der Druck im Brennraum 16 stark an und der Kolben 8 wird mit seiner Abstützfläche 10 gegen die Umlauffläche 13 gepresst. Durch die tangential zur Umlauffläche verlaufende Komponente der Kraft, wird der Rotor im Uhrzeigersinn beschleunigt und bewegt sich in eine Stellung, die durch den Kolben 8d wiedergegeben ist.During further clockwise rotation, opening 6 coincides with the ignition (not shown) arranged in the engine block 11 and the mixture contained in the combustion chamber 16 is ignited and exploded. Through this the pressure in the combustion chamber 16 increases sharply and the piston 8 is pressed with its support surface 10 against the circulating surface 13. Due to the component of the force running tangentially to the rotating surface, the rotor is accelerated clockwise and moves into a position that is represented by the piston 8d.

In der durch Kolben 8d wiedergegebenen Stellung erreicht die Brennfläche 15 wieder ihren größten Abstand zur Rotorachse 7 und der Brennraum 16 erreicht sein maximales Volumen. Die Öffnung 6 des im Inneren des Kolbens 8 verlaufenden Kanals (nicht dargestellt) zum Brennraum 16 ist verschlossen.In the position represented by piston 8d, the combustion surface 15 again reaches its greatest distance from the rotor axis 7 and the combustion chamber 16 reaches its maximum volume. The opening 6 of the channel (not shown) running inside the piston 8 to the combustion chamber 16 is closed.

Rotiert der Rotor 1 weiter im Uhrzeigersinn, gelangt Öffnung 6 mit der in der Seitenfläche des Aufnahmeraums 12 angeordneten Öffnung (nicht dargestellt) des Abgaskanals zur Deckung und es wird eine Verbindung zwischen Brennraum 16 und Umgebung hergestellt.If the rotor 1 continues to rotate clockwise, the opening 6 coincides with the opening (not shown) of the exhaust duct arranged in the side surface of the receiving space 12 and a connection is established between the combustion chamber 16 and the environment.

Der Kolben 8 liegt mit seiner Abstützfläche 10 an der Umlauffläche 13 des Aufnahmeraums 12 an. Da sich der Abstand zwischen Umlauffläche 13 und Rotorachse 7 verringert, wird der Kolben 8 in Richtung auf die Rotorachse 7 bewegt und das bei der Verbrennung des Brenngases entstandene Abgas ausgestoßen, bis der Rotor schließlich wieder eine Position erreicht, die der Ausgangsposition entspricht und in welcher der Kolben die durch 8a gekennzeichnete Stellung einnimmt. Die Öffnung 6 hat sich an der in der Seitenwand des Aufnahmeraums 12 vorgesehenen Öffnung für die Abgasabführung vorbeibewegt und wird wieder durch die Seitenwand des Aufnahmeraums 12 verschlossen.The piston 8 rests with its support surface 10 on the circumferential surface 13 of the receiving space 12. Since the distance between the circulating surface 13 and the rotor axis 7 decreases, the piston 8 is moved in the direction of the rotor axis 7 and the exhaust gas produced during the combustion of the fuel gas is expelled until the rotor finally reaches a position again which corresponds to the starting position and in which the piston assumes the position marked by 8a. The opening 6 has moved past the opening for exhaust gas removal provided in the side wall of the receiving space 12 and is closed again by the side wall of the receiving space 12.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt der Seitenwand des Aufnahmeraums 12 gezeigt, der von einer Seitenplatte 17 gebildet wird. In der Seitenplatte 17 sind zwei bogenförmige Langlöcher 18, 19 vorgesehen, wobei Langloch 18 in eine im Motorblock angeordnete Brenngaszuführung 20 und Langloch 19 in eine im Motorblock angeordnete Abgasabführung 21 mündet. Ferner ist eine Öffnung 22 für eine Zündung vorgesehen.In Fig. 4 a section of the side wall of the receiving space 12 is shown, which is formed by a side plate 17. In Two arcuate elongated holes 18, 19 are provided in the side plate 17, with elongated hole 18 opening into a fuel gas supply 20 arranged in the engine block and elongated hole 19 opening into an exhaust gas outlet 21 arranged in the engine block. Furthermore, an opening 22 is provided for ignition.

Die Langlöcher 18, 19 sind so angeordnet, dass sie während eines Umlaufs des Rotors 1 mit den Öffnungen 6 (nicht dargestellt) des Rotors 1 zur Deckung gelangen und eine Verbindung zwischen Brenngaszuführung 20, Zündöffnung 22 bzw. Abgasabführung 21 und Brennraum 16 hergestellt wird.The elongated holes 18, 19 are arranged in such a way that they coincide with the openings 6 (not shown) of the rotor 1 during a revolution of the rotor 1 and a connection is established between the fuel gas supply 20, ignition opening 22 or exhaust gas discharge 21 and combustion chamber 16.

Langloch 18 ist dabei so angeordnet, dass es das Segment der Seitenfläche zwischen den Stellungen 8a und 8b des Kolbens 8 überspannt. Langloch 19 ist so angeordnet, dass es das Segment zwischen den Stellungen 8d und 8a überspannt und Zündungsöffnung 22 ist so angeordnet, dass es in Stellung 8c des Kolbens 8 mit Öffnung 6 des Rotors zur Deckung gelangt. Auf diese Weise wird über den gesamten Kolbenhub Brenngas angesaugt bzw. Abgas ausgestoßen. Die Zündung des Brenngases erfolgt an dem Punkt der Kolbenbewegung, wenn das Brenngas die höchste Verdichtung aufweist.Elongated hole 18 is arranged so that it spans the segment of the side surface between positions 8a and 8b of piston 8. Elongated hole 19 is arranged so that it spans the segment between positions 8d and 8a and ignition opening 22 is arranged so that it coincides with opening 6 of the rotor in position 8c of the piston 8. In this way, fuel gas is sucked in and exhaust gas is expelled over the entire piston stroke. Ignition of the fuel gas occurs at the point of piston movement when the fuel gas has the highest compression.

Fig. 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Monoblockrotationsmotors, wobei die Teile das Motors in teilweiser Explosionsdarstellung wiedergegeben sind. Fig. 5 shows a perspective view of the monoblock rotary engine, with the parts of the engine shown in a partially exploded view.

Ein Rotor 1 ist in einen Aufnahmeraum 12 des Motorblocks 11 eingesetzt. Zur besseren Erkennbarkeit ist der Rotor 1 etwas angehoben und ragt daher über die Fläche des Motorblocks 11 hinaus, die mit dem Abschluss des Aufnahmeraums fluchtet. Um die Rotorachse 7 sind vier Öffnungen 6 angeordnet, die mit den im Rotor angeordneten Kolbenbohrungen kommunizieren. Um die Rotorachse 7 bzw. die Rotorachsenaufnahme (nicht dargestellt) im Motorblock 1 (nicht dargestellt) sind Kanäle für die Brenngaszuführung 20, die Abgasabführung 21 sowie eine Zündkammer 22 angeordnet, über welche wie oben beschrieben das Brenngas in den Brennraum zugeführt, das Abgas aus dem Brennraum abgeführt bzw. das verdichtete Brenngas gezündet wird.A rotor 1 is inserted into a receiving space 12 of the engine block 11. For better visibility, the rotor 1 is raised slightly and therefore protrudes beyond the surface of the engine block 11, which is aligned with the end of the receiving space. Four openings 6 are arranged around the rotor axis 7 and communicate with the piston bores arranged in the rotor. Around the rotor axis 7 or the rotor axis holder (not shown) Channels for the fuel gas supply 20, the exhaust gas discharge 21 and an ignition chamber 22 are arranged in the engine block 1 (not shown), via which, as described above, the fuel gas is fed into the combustion chamber, the exhaust gas is removed from the combustion chamber and the compressed fuel gas is ignited.

Die Figuren 6 und 7 zeigen jeweils einen Schnitt durch Rotoren 1, wie sie im erfindungsgemäßen Monoblockrotationsmotor eingesetzt werden.The Figures 6 and 7 each show a section through rotors 1, as used in the monoblock rotary motor according to the invention.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist ein Rotor 1 dargestellt, in welchem vier Kolbenbohrungen 5 vorgesehen sind. Die Kolbenbohrungen 5 sind rotationssymmetrisch zur Rotorachse 7 angeordnet. Bei drei der Kolbenbohrungen 5a bis 5c fällt die Kolbenlängsachse 37 mit der Normalen 36 der Umlauffläche zusammen. Sind Kolben (nicht dargestellt) in den Kolbenbohrungen 5 eingesetzt, bewegen sich diese bei der translatorischen Bewegung sternförmig von der Rotorachse 7 weg bzw. auf diese zu.At the in Fig. 6 In the embodiment shown, a rotor 1 is shown, in which four piston bores 5 are provided. The piston bores 5 are arranged rotationally symmetrically to the rotor axis 7. In three of the piston bores 5a to 5c, the piston longitudinal axis 37 coincides with the normal 36 of the circulating surface. If pistons (not shown) are inserted into the piston bores 5, they move in a star shape away from the rotor axis 7 or towards it during the translational movement.

Die Kolbenbohrung 5d ist beispielhaft so angeordnet, dass die Kolbenlängsachse 37 relativ zur Normalen 36 der Umlauffläche verkippt ist und mit dieser einen Winkel einschließt.The piston bore 5d is arranged, for example, in such a way that the piston longitudinal axis 37 is tilted relative to the normal 36 of the circulating surface and forms an angle with it.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform ist ein Rotor 1 dargestellt, in welchem sechs Kolbenbohrungen 5a bis 5f vorgesehen sind. Die Kolbenbohrungen 5 sind rotationssymmetrisch zur Rotorachse 7 angeordnet. Bei fünf der Kolbenbohrungen 5a bis 5e fällt die Kolbenlängsachse 37 mit der Normalen 36 der Umlauffläche zusammen. Sind Kolben (nicht dargestellt) in den Kolbenbohrungen 5 eingesetzt, bewegen sich diese bei der translatorischen Bewegung sternförmig von der Rotorachse 7 weg bzw. auf diese zu.At the in Fig. 7 In the illustrated embodiment, a rotor 1 is shown, in which six piston bores 5a to 5f are provided. The piston bores 5 are arranged rotationally symmetrically to the rotor axis 7. In five of the piston bores 5a to 5e, the piston longitudinal axis 37 coincides with the normal 36 of the circulating surface. If pistons (not shown) are inserted into the piston bores 5, they move in a star shape away from the rotor axis 7 or towards it during the translational movement.

Die Kolbenbohrung 5f ist beispielhaft so angeordnet, dass die Kolbenlängsachse 37 relativ zur Normalen 36 der Umlauffläche verkippt ist und mit dieser einen Winkel einschließt.The piston bore 5f is, for example, arranged such that the piston longitudinal axis 37 is tilted relative to the normal 36 of the circulating surface and forms an angle with it.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Vorkammerzündung, wie sie beim erfindungsgemäßen Monoblockrotorrotationsmotor eingesetzt werden kann. Dazu ist eine Vorkammer 38 vorgesehen, die mit dem Brennraum (nicht dargestellt) über einen Kanal verbunden werden kann. Die Vorkammer 38 mündet dazu in einer Öffnung, über welche die Vorkammer mit dem im Rotor ausgebildeten Brennraum verbunden werden kann. In die Vorkammer 38 mündet die Düse einer Eindüsvorrichtung 39, über welche eine kleine Menge an Brennstoff, beispielsweise Wasserstoffgas, in die Vorkammer 38 eingedüst werden kann. Die Menge des eingedüsten Brennstoffs kann beispielsweise über ein Piezoelement gesteuert werden. Neben der Düse der Einspritzvorrichtung ist die Funkenstrecke einer Zündkerze 40 angeordnet, mit welcher das in die Vorkammer eingedüste brennfähige Gemisch gezündet werden kann. Es entsteht eine Flammenfront, die sich in den Brennraum fortbewegt. Fig. 8 shows schematically a section through an antechamber ignition, as can be used in the monoblock rotor rotary engine according to the invention. For this purpose, an antechamber 38 is provided, which can be connected to the combustion chamber (not shown) via a channel. For this purpose, the antechamber 38 opens into an opening through which the antechamber can be connected to the combustion chamber formed in the rotor. The nozzle of an injection device 39 opens into the antechamber 38, via which a small amount of fuel, for example hydrogen gas, can be injected into the antechamber 38. The amount of fuel injected can be controlled, for example, via a piezo element. Next to the nozzle of the injection device, the spark gap of a spark plug 40 is arranged, with which the combustible mixture injected into the antechamber can be ignited. A flame front is created that moves into the combustion chamber.

Fig. 9 zeigt eine Ausführungsform des Monoblockrotationsmotors als Stirlingmotor mit Erhitzer mit großen Heizrippen, Regenerator als dunkler Mittelteil und Kühler mit kleinen Kühlrippen. Fig. 9 shows an embodiment of the monoblock rotary engine as a Stirling engine with a heater with large heating fins, a regenerator as a dark middle section and a cooler with small cooling fins.

Fig. 10 zeigt den Herstellprozess für isostatischen Graphit, aus welchem Rotor, Kolbenbohrungen, Kolben und Motorblock bevorzugt aufgebaut sind. Fig. 10 shows the manufacturing process for isostatic graphite, from which the rotor, piston bores, piston and engine block are preferably constructed.

Die Herstellprozesse für synthetischen Graphit sind vergleichbar mit dem von keramischen Materialien. Die festen Rohstoffe Koks 24 und Graphit 25 werden in einem Mahlwerk 26 gemahlen und in Mischaggregaten 27 mit kohlenstoffhaltigen Bindemitteln 28 wie z. B. Pechen zu einer homogenen Masse vermischt. Daran schließt sich die Formgebung an. Hierfür stehen unterschiedliche Verfahren 29 zur Verfügung: isostatisches Pressen, Strangpressen, Vibrationsverdichten oder Gesenkpressen.The manufacturing processes for synthetic graphite are comparable to those of ceramic materials. The solid raw materials coke 24 and graphite 25 are processed in a grinder 26 ground and in mixing units 27 with carbon-containing binders 28 such as. B. Pechen mixed into a homogeneous mass. This is followed by the shaping. There are different methods 29 available for this: isostatic pressing, extrusion, vibration compaction or die pressing.

Die gepressten "grünen" Formkörper werden im Anschluss unter Sauerstoffausschluss bei etwa 1000°C in einem Brennofen 30 bei 800 bis 1200°C carbonisiert und wiederholt mit Pech in einer Imprägniervorrichtung 31 imprägniert. Bei diesem Prozess bilden sich Bindemittelbrücken zwischen den Feststoffpartikeln. Die Graphitierung - der zweite thermische Verarbeitungsschritt - erfolgt in einem Graphitierofen 32 . Dabei wird der amorphe Kohlenstoff bei etwa 3.000 °C in dreidimensional geordneten Graphit umgewandelt.The pressed "green" shaped bodies are then carbonized in a kiln 30 at 800 to 1200 ° C in the absence of oxygen at around 1000 ° C and repeatedly impregnated with pitch in an impregnation device 31. During this process, binder bridges form between the solid particles. Graphitization - the second thermal processing step - takes place in a graphitization furnace 32. The amorphous carbon is converted into three-dimensionally ordered graphite at around 3,000 °C.

Danach erfolgt die mechanische Bearbeitung 33 der graphitierten Formkörper zu komplexen Bauteilen. Optional können diese durch weitere Reinigungsprozesse 34 und Beschichtungsschritte 35 wie z. B. durch eine Siliziumkarbid (SiC)-Beschichtung zusätzlich veredelt werden. Bezugszeichen 1 Rotor 30 Ofen 2 Umfangsfläche 31 Imprägniervorrichtung 3 Seitenfläche 32 Graphitierofen 4 Öffnung 33 Mechanische 5 Kolbenbohrung Bearbeitung 6 Öffnungen 34 Reinigung 7 Rotorachse 35 SiC-Beschichtung 8 Kolben 36 Normale der 9 Gleitflächen Umlauffläche 10 Abstützfläche 37 Kolbenlängsachse 11 Motorblock 38 Vorkammer 12 Aufnahmeraum 39 Eindüsvorrichtung 13 Umlauffläche 40 Zündkerze 14 Abstützfläche 15 Brennfläche 16 Brennraum 17 Seitenplatte 18 Langloch Brenngaszuführung 19 Langloch Abgasabführung 20 Brenngaszuführung 21 Abgasabführung 22 Zündungsöffnung 23 Zündkammer 24 Koks 25 Graphit 26 Mahlwerk 27 Mischaggregat 28 Pech 29 Pressen The graphitized molded bodies are then mechanically processed 33 to form complex components. Optionally, these can be carried out by further cleaning processes 34 and coating steps 35 such as. B. can be additionally refined with a silicon carbide (SiC) coating. Reference symbols 1 rotor 30 Oven 2 Perimeter area 31 Impregnation device 3 side surface 32 Graphiting furnace 4 opening 33 Mechanical 5 Piston bore editing 6 openings 34 cleaning 7 Rotor axis 35 SiC coating 8th Pistons 36 Normal the 9 sliding surfaces circulation area 10 Support surface 37 Piston longitudinal axis 11 Engine block 38 antechamber 12 Recording room 39 Injection device 13 circulation area 40 spark plug 14 Support surface 15 focal surface 16 combustion chamber 17 Side plate 18 Long hole Fuel gas supply 19 Long hole Exhaust gas evacuation 20 Fuel gas supply 21 Exhaust gas evacuation 22 Ignition opening 23 ignition chamber 24 coke 25 graphite 26 grinder 27 Mixing unit 28 Bad luck 29 Press

Claims (15)

Monoblockrotationsmotor umfassend: - einen Motorblock (11) mit einem Aufnahmeraum (12) für einen Rotor (1), wobei der Aufnahmeraum (12) zwei spiegelsymmetrisch zueinander angeordnete Seitenflächen und eine die beiden Seitenflächen verbindende Umlauffläche (13) hat, wobei die Umlauffläche (13) in einer Richtung parallel zu den Seitenflächen eine elliptische Krümmung aufweist, mit einer langen Ellipsenachse und einer senkrecht dazu verlaufenden kurzen Ellipsenachse, welche die lange Ellipsenachse an einem Kreuzungspunkt kreuzt, und ferner in den Seitenflächen zentral am Kreuzungspunkt der Ellipsenachsen angeordnete Achsaufnahmen vorgesehen sind, und in den Seitenflächen zumindest Öffnungen eines Kanals (20) für eine Zuführung eines Brenngases, eines Kanals (21) für eine Abführung von Abgasen sowie eine Zündung (22) vorgesehen sind, - einen im Aufnahmeraum aufgenommenen rotationssymmetrischen Rotor (1), wobei der Rotor Seitenflächen (3) aufweist, die an den Seitenflächen des Aufnahmeraums (12) anliegen, sowie eine die Seitenflächen (3) des Rotors (1) verbindende rotationssymmetrische Umfangsfläche (2), sowie eine zentral in den Seitenflächen (3) angeordnete Rotorachse (7), die in den Achsaufnahmen des Motorblocks (11) aufgenommen ist, wobei in dem Rotor (1) zumindest ein Paar radial zur Rotorachse (7) gegenüberliegend angeordnete Kolbenbohrungen (5) vorgesehen sind, die auf der Seite der rotationssymmetrischen Umfangsfläche (2) eine Öffnung (4) aufweisen und an dem der Öffnung entgegengesetzten Endbereich mit einem Kanal verbunden sind, der zu einer der Seitenflächen (3) des Rotors (1) führt und in einer in der Seitenfläche (3) vorgesehenen Verbindungsöffnung (6) mündet, wobei die Verbindungsöffnung (6) so angeordnet ist, dass sie bei einer Rotation des Rotors (1) mit den im Aufnahmeraum vorgesehenen Öffnungen des Kanals (20) für die Zuführung des Brenngases, des Kanals (21) für die Abführung der Abgase sowie der Zündung (22) zur Deckung gelangt, und weiter in der Kolbenbohrung (5) ein frei beweglicher Kolben (8) vorgesehen ist, der mit einer Gleitfläche (9) an der Kolbenbohrung (5) anliegt und ausgebildet ist, in der Kolbenbohrung (5) eine translatorische Bewegung auszuführen, wobei der Kolben (8) ferner eine einem ersten Brennraum (16) zugewandte Brennraumfläche (15) und eine am der Brennraumfläche (15) entgegengesetzten Ende des Kolbens (8) angeordnete Abstützfläche (10) aufweist, wobei der Kolben (8) in einer Auswärtsposition mit einem Abschnitt aus der rotationssymmetrischen Umfangsfläche (2) hervorsteht und sich mit der Abstützfläche (10) auf der elliptischen Umlauffläche (13) des Aufnahmeraums (12) abstützt. Monoblock rotary motor comprising: - an engine block (11) with a receiving space (12) for a rotor (1), the receiving space (12) having two side surfaces arranged mirror-symmetrically to one another and a circumferential surface (13) connecting the two side surfaces, the circumferential surface (13) being in one Direction parallel to the side surfaces has an elliptical curvature, with a long ellipse axis and a short ellipse axis running perpendicular thereto, which crosses the long ellipse axis at an intersection point, and furthermore axis receptacles arranged centrally at the intersection point of the ellipse axes are provided in the side surfaces, and in the side surfaces at least openings of a channel (20) for supplying a fuel gas, a channel (21) for discharging exhaust gases and an ignition (22) are provided, - a rotationally symmetrical rotor (1) accommodated in the receiving space, the rotor having side surfaces (3) which rest on the side surfaces of the receiving space (12), and a rotationally symmetrical peripheral surface (2) connecting the side surfaces (3) of the rotor (1), and a rotor axis (7) arranged centrally in the side surfaces (3), which is accommodated in the axle receptacles of the engine block (11), at least one pair of piston bores (5) arranged radially opposite the rotor axis (7) being provided in the rotor (1). are which have an opening (4) on the side of the rotationally symmetrical peripheral surface (2) and are connected to a channel at the end region opposite the opening which leads to one of the side surfaces (3) of the rotor (1) and opens into a connection opening (6) provided in the side surface (3), the connection opening (6) being arranged in such a way that when the rotor ( 1) with the openings provided in the receiving space of the channel (20) for supplying the fuel gas, the channel (21) for discharging the exhaust gases and the ignition (22), and further in the piston bore (5) a freely movable one Piston (8) is provided, which rests with a sliding surface (9) on the piston bore (5) and is designed to carry out a translational movement in the piston bore (5), the piston (8) also having a first combustion chamber (16). facing the combustion chamber surface (15) and a support surface (10) arranged at the end of the piston (8) opposite the combustion chamber surface (15), the piston (8) protruding in an outward position with a section from the rotationally symmetrical peripheral surface (2) and moving with it the support surface (10) is supported on the elliptical circumferential surface (13) of the receiving space (12). Monoblockrotationsmotor nach Anspruch 1, wobei der Rotor (1) zwei Paare von Kolbenbohrungen (5) aufweist, und die Kolbenbohrungen (5) kreuzweise um die Achse (7) des Rotors (1) angeordnet sind.Monoblock rotary engine according to claim 1, wherein the rotor (1) has two pairs of piston bores (5), and the piston bores (5) are arranged crosswise around the axis (7) of the rotor (1). Monoblockrotationsmotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die in den Seitenflächen des Aufnahmeraums des Motorblocks (11) vorgesehenen Öffnungen des Kanals (20) für die Zuführung des Brenngases und/oder des Kanals (21) für die Abführung des Abgases als bogenförmige Langlöcher (18, 19) ausgebildet sind.Monoblock rotary engine according to claim 1 or 2, wherein the openings of the channel (20) for supplying the fuel gas and/or the channel (21) for discharging the exhaust gas provided in the side surfaces of the receiving space of the engine block (11) are in the form of arcuate elongated holes (18, 19) are trained. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verbindungsöffnung des Rotors (1) als bogenförmiges Langloch ausgebildet ist.Monoblock rotary motor according to one of the preceding claims, wherein the connection opening of the rotor (1) is designed as an arcuate elongated hole. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an der Seite der Abstützfläche (10) des Kolbens (8) eine Aufnahme für einen Rotationskörper vorgesehen ist, in welchem ein Rotationskörper aufgenommen ist und sich der Kolben (8) über den Rotationskörper an der Umlauffläche (13) des Aufnahmeraums (12) im Motorblock (11) abstützt.Monoblock rotary engine according to one of the preceding claims, wherein on the side of the support surface (10) of the piston (8) there is a receptacle for a rotating body, in which a rotating body is accommodated and the piston (8) is located over the rotating body on the rotating surface (13 ) of the receiving space (12) in the engine block (11). Monoblockrotationsmotor nach Anspruch 5, wobei der Rotationskörper eine Rolle oder eine Kugel ist.Monoblock rotary motor according to claim 5, wherein the rotating body is a roller or a ball. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zündung als Plasmazündung ausgebildet ist.Monoblock rotary engine according to one of the preceding claims, wherein the ignition is designed as a plasma ignition. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Motorblock (11) und der Rotor (1) zumindest abschnittsweise aus einem diamantähnlichen Kohlenstoffmaterial aufgebaut sind, wobei zumindest die Flächen des Aufnahmeraums, des Rotors (1) und der Kolben (8), die an einer anderen Fläche anliegen, aus dem diamantähnlichen Kohlenstoffmaterial gebildet sind.Monoblock rotary engine according to one of the preceding claims, wherein the engine block (11) and the rotor (1) are constructed at least in sections from a diamond-like carbon material, at least the surfaces of the receiving space, the rotor (1) and the piston (8), which are on a other surface, are formed from the diamond-like carbon material. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Monoblockrotor (1) und die Kolben (8) schmierungslos ausgebildet sind.Monoblock rotary motor according to one of the preceding claims, wherein the monoblock rotor (1) and the pistons (8) are designed without lubrication. Monoblockrotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kolben (8) auf der Seite der Abstützfläche (10) sich zu einem Verlängerungsabschnitt verjüngt, welcher gasdicht durch die Umfangsfläche (2) des Rotors (1) geführt ist und der sich mit seinem Ende an der elliptischen Umlauffläche (13) des Aufnahmeraums (12) des Motorblocks (11) abstützt.Monoblock rotary engine according to one of the preceding claims, wherein the piston (8) on the side of the support surface (10) tapers to an extension section which is guided in a gas-tight manner through the peripheral surface (2) of the rotor (1) and which has its end on the elliptical circumferential surface (13) of the receiving space (12) of the engine block (11). Monoblockrotationsmotor nach Anspruch 9, wobei auf der Seite des Verlängerungsabschnitts ein zweiter Brennraum in der Kolbenbohrung ausgebildet ist und der zweite Brennraum mit einem Transferkanal verbunden ist.A monobloc rotary engine according to claim 9, wherein on the extension portion side, a second combustion chamber is formed in the piston bore, and the second combustion chamber is connected to a transfer passage. Antriebseinheit umfassend zwei gekoppelte Monoblockrotationsmotoren, wobei ein erster Monoblockrotationsmotor als Hochdruckrotationsmotor ausgebildet ist und ein zweiter Monoblockrotationsmotor als Niederdruckrotationsmotor ausgebildet ist, wobei der Hochdruckrotationsmotor als Monoblockrotationsmotor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist, und der Niederdruckrotationsmotor als reiner Expansionsmotor ausgebildet ist, wobei erster und zweiter Monoblockrotationsmotor über eine gemeinsame Antriebswelle verbunden sind und ferner die Abgasabführung des ersten Monoblockrotationsmotors mit einer Gaszuführung des zweiten Monoblockrotationsmotors verbunden ist, sodass das Abgas des ersten Monoblockrotationsmotors in als reine Expansionsräume ausgebildete Brennräume des zweiten Monoblockrotationsmotors eingeleitet wird.Drive unit comprising two coupled monoblock rotary motors, wherein a first monoblock rotary motor is designed as a high-pressure rotary motor and a second monoblock rotary motor is designed as a low-pressure rotary motor, the high-pressure rotary motor being designed as a monoblock rotary motor according to one of claims 1 to 11, and the low-pressure rotary motor is designed as a pure expansion motor, the first and second monoblock rotary engine are connected via a common drive shaft and further the exhaust gas discharge of the first monoblock rotary engine is connected to a gas supply of the second monoblock rotary engine, so that the exhaust gas of the first monoblock rotary engine is introduced into combustion chambers of the second monoblock rotary engine designed as pure expansion spaces. Antriebseinheit nach Anspruch 12, wobei zumindest der erste Monoblockrotationsmotor thermisch gekapselt ist.Drive unit according to claim 12, wherein at least the first monoblock rotary motor is thermally encapsulated. Verfahren zur Bereitstellung einer Rotationsbewegung, wobei ein Monoblockrotationsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 13 bereitgestellt wird, ein Brenngas in den Brennraum des Monoblockrotationsmotors eingebracht und zur Explosion gebracht wird.Method for providing a rotational movement, wherein a monoblock rotary engine according to one of claims 1 to 13 is provided, a fuel gas is introduced into the combustion chamber of the monoblock rotary engine and exploded. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Brennstoff Wasserstoffgas enthält.The method of claim 14, wherein the fuel contains hydrogen gas.
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