WO1994009261A1

WO1994009261A1 - Verbrennungsmotor, kompressor sowie druckluftmotor

Info

Publication number: WO1994009261A1
Application number: PCT/DE1993/001010
Authority: WO
Inventors: Alexander Böck
Original assignee: Boeck Alexander
Priority date: 1992-10-22
Filing date: 1993-10-22
Publication date: 1994-04-28
Also published as: JPH08505914A; DE4235559A1; EP0665922A1

Abstract

Ein Verbrennungsmotor oder ein Druckluftmotor oder ein Kompressor mit einem kreisförmigen Grundgehäuse (1); einer Arbeitsscheibe (3), die sich in dem Arbeitsraum um dessen Mittelachse dreht; einem Füll- und Ausschubraum (4), der mit dem Arbeitsraum verbunden ist; einer Steuerscheibe (7), die sich in dem Füll- und Ausschubraum um dessen Mittelachse dreht und mit der Begrenzungswand des Füll- und Ausschubraumes als auch der Arbeitsscheibe einen Dichtspalt bildet; einem kreisförmigen Verbrennungsraum (8), der mit dem Arbeitsraum verbunden ist; und einer Brennraumscheibe (9), die sich in dem Verbrennungsraum um dessen Mittelachse dreht.

Description

Verbrennungsmotor, Kompressor sowie Druckluftmotor

B e s c h r e i b u n g

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor sowie auf einen Kompressor bzw. Druckluftmotor.

Stand der Technik

Es sind bereits eine Reihe von Verbrennungsmotor mit ro¬ tierenden Kolben etc. für die verschiedensten Anwendungs¬ zwecke vorgeschlagen worden. Keiner dieser Motore, die in der Regel über ein Prototypenstadium nicht hinausgekommen sind, verbindet jedoch einen einfachen Aufbau mit der Möglichkeit, den oder die rotierenden Kolben auszuwuchten und mit einer vergleichsweise hohen Leistungsdichte bei mittlerem Wirkungsgrad bei höheren Drehzahlen.

Aus den britischen Patentschriften 1 135 034 und 1 104 171 sind zwar bereits Verbrennungsmotoren mit rotierenden Kolben bekannt, die auswuchtbar sind; diese bekannten Verbrennungsmotoren weisen jedoch einen schlechten Wir¬ kungsgrad auf, da durch die sich gegensinnig drehenden Scheiben die Befüllung des Verbrennungsraumes schlecht ist.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbren¬ nungsmotor sowie einen Kompressor bzw. einen Druckluft¬ motor mit wenigstens einem rotierenden Kolben anzugeben, der bei einfachen Aufbau und hoher Leistungsdichte die Möglichkeit bietet, den oder die Kolben auszuwuchten, so daß hohe Drehzahlen bis zu mehreren 10 000 Umdrehungen möglich sind.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im An¬ spruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird ein Verbrennungsmotor geschaffen mit

- einem Grundgehäuse, das einen Arbeitsraum mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat,

- einer Arbeitsscheibe, die sich in dem Arbeitsraum um dessen Mittelachse dreht, und die einen derartigen Quer¬ schnitt hat, daß sich zwischen der Arbeitsscheibe und der Wand des Arbeitsraumes ein Dichtspalt ergibt,

- einem Füll- und Ausschubraum mit wenigstens einem Ein¬ laß- und einem Auslaßschlitz und mit ebenfalls kreisförmi¬ gen Querschnitt, dessen Mittelpunkt außerhalb des Arbeits¬ raumes liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Füll- und Ausschubraumes ist, und der mit dem Arbeitsrau verbunden ist,

- einer Steuerscheibe, die sich in dem Füll- und Aus¬ schubraum um dessen Mittelachse dreht, und deren Außenkon¬ tur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Füll- und Ausschubraumes als auch der Arbeitsscheibe einen Dichtspalt bildet,

- einem Verbrennungsraum mit ebenfalls kreisförmigen Querschnitt, dessen Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsrau¬ mes liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Verbrennungsraumes ist, und der mit dem Arbeitsraum verbunden ist, einer Brennraumscheibe, die sich in dem Verbrennungs- rau um dessen Mittelachse dreht, und deren Außenkontur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Verbrennungsraumes auch der Arbeitsscheibe einen Dicht¬ spalt bildet, bei dem sich die Arbeitsscheibe und die Brennraumscheibe gleichsinnig und die Arbeitsscheibe und die Steuerscheibe gegensinnig drehen.

Weiterhin kann durch Weglassen des Verbrennungsraumes ein Druckluftmotor oder ein Kompressor erhalten werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungs¬ beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exempla¬ risch beschrieben, auf die im übrigen bezüglich der Offenbarung aller im Text nicht näher erläuterten er¬ findungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird. Es zeigen:

Fig. la und lb das Prinzip eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors,

Fig. 2 eine Modifikation des erfindungsgemäßen Mo¬ tors, die als Kompressor oder Druckluftmotor arbeitet.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In den Fig. la und lb ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motors in zwei Stellungen dargestellt:

Der Verbrennungsmotor weist ein Grundgehäuse 1 auf, das einen Arbeitsraum 2 mit einem im wesentlichen kreisförmi¬ gen Querschnitt hat. Eine Arbeitsscheibe 3 dreht sich in dem Arbeitsraum 2 um dessen Mittelachse 2' - bevorzugt mit hoher Drehzahl.

Die Außenkontur bzw. der Querschnitt der Arbeitsscheibe 3 ist derart gewählt, daß sich zwischen der ArbeitsScheibe 3 und der Wand des Arbeitsraumes 2 ein Dichtspalt ergibt. Insbesondere kann die Arbeitsscheibe angenähert die Form einer in Umfangsrichtung verzerrten - um den Faktor 2 gestreckten - Hypozykloide haben. Damit ergeben sich bei unterschiedlichen Stellungen der Arbeitsscheibe unter¬ schiedliche Volumina der einzelnen gebildeten Räume (Fig. la und lb) .

Weiterhin ist ein Füll- und Ausschubraum 4 mit wenigstens einem Einlaß- und einem Auslaßschlitz 5 bzw. 6 vorgesehen, der mit dem Arbeitsraum verbunden ist. Der Füll- und Aus¬ schubraum 4 hat ebenfalls einen kreisförmigen Querschnitt. Der Mittelpunkt des Raumes 4 liegt außerhalb des Arbeits¬ raumes 2, und hat vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeits¬ raumes und des Radius des Füll- und Ausschubraumes ist. In dem Füll-und Ausschubraum 4 dreht sich eine Steuerscheibe 7 um dessen Mittelachse 4' mit der halben Drehzahl der Arbeitsscheibe 3. Die Außenkontur der Steuerscheibe 7 ist sogewählt, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Füll- und AusSchubraumes 4 als auch der Arbeitsscheibe 3 einen Dichtspalt bildet. Der Achsabstand zur Arbeitsschei¬ be ist so zu wählen, daß sich für die Ein- und Auslaß¬ steuerung eine günstige Geometrie der abzudeckenden Schlitze 5 bzw. 6 ergibt.

Ferner ist ein Verbrennungsraum 8 mit ebenfalls kreisför¬ migen Querschnitt vorgesehen, dessen Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsraumes liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeits¬ raumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Verbrennungs- raumes ist, und der mit dem Arbeitsraum verbunden ist. In dem Verbrennungsraum 8 dreht sich eine Brennraumscheibe 9 mit der halben Drehzahl der ArbeitsScheibe 3 um dessen Mittelachse. Die Außenkontur Der Brennraumscheibe 9 ist so gewählt, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Ver¬ brennungsraumes auch der Arbeitsscheibe einen Dichtspalt bildet. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Brennraumscheibe 9 aus zwei ebenen parallelen Flächen, die durch zwei Rundungsradien miteinander verbunden sind. Ferner ist der Abstand der Drehachse der Arbeitsscheibe und der Brennraumscheibe gleich der Summe des maximalen Radius der Arbeitsscheibe und dem Rundungsradius zuzüglich der Abmessung des Dichtspaltes. In dem Verbrennungs aum ist in einer Ausnehmung wenigstens eine Zündkerze 10 ange¬ ordnet. Die Zündkerze befindet sich bevorzugt in der Mitte des Brennraumes und darf, wie bei einem Wankelmotor, nicht in diesen hineinragen.

Die Arbeitsscheibe und die Brennraumscheibe drehen sich gleichsinnig, während die Arbeitsscheibe und die Steuer¬ scheibe sich gegensinnig drehen. Damit werden bei einer Umdrehung der Arbeitsscheibe vier Arbeitstakte realisiert.

Weiterhin weist die Arbeitsscheibe 3 nicht dargestellte Ausnehmungen bzw. Ausfräsungen auf, so daß ihr Massen¬ schwerpunkt auf der Drehachse 2' liegt. Dies bedeutet, daß die Arbeitsscheibe im Betrieb nur minimale Kräfte in Folge von Unwuchten auf die Lagerung überträgt (ähnlich einer Turbinenscheibe) . Damit ist die Drehzahlgrenze des Motors nur durch die Festigkeit der Arbeitsscheibe begrenzt und nicht durch Lagerkräfte. Weiter ist damit ein nahezu vibrationsfreier Betrieb möglich. Durch die hohe Drehzahl und den daraus resultierenden hohen Massendurchsatz ist es möglich auf berührungsiose Spaltdichtungen überzugehen. Der daraus resultierende Verlust ist bei niedrigen Drehzahlen hoch und nimmt bei steigender Drehzahl ab. Entscheidend für den Wirkungsgrad der Maschine ist es, die Spalte, die sich auf Grund von Fliehkräften und Temperaturdehnungen verändern, gezielt klein zu halten (ähnliches Problem wie bei Turbinen und Verdichtern) . Damit ist der erfindungsgemäße Motor insbe¬ sondere für Anwendungen mit konstanter Drehzahl geeignet, wie beispielsweise als Flugmotor.

Durch Verändern des Achsabstandes zwischen Brennraumschei¬ be und Arbeitsscheibe und Veränderung der Länge der Brenn¬ raumscheibe können verschiedene Verdichtungs-verhältnisse realisiert werden. Prinzipiell sinkt bei einer Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses das durchgesetzte Volumen (und umgekehrt) .

Die Steuerung der Scheiben kann durch ein einfaches Ge¬ triebe erfolgen, das beispielsweise aus Zahnrädern und Riemenscheiben bestehen kann. Dabei kommt es nur darauf an, daß das Getriebe von den Dehnungen des Gehäuses so entkoppelt ist, daß ein Winkelfehler der Scheiben zuein¬ ander so klein wie möglich ist (Spalthaltung) .

Die Gemischaufbereitung kann durch direkte Einspritzung oder durch einen Vergaser erfolgen.

In jedem Falle erhält man einen Motor, der sich dadurch auszeichnet, daß er eine sehr hohe Leistungsdichte bei einem mittleren Wirkungsgrad im hohen Drehzahlbereich besitzt. Er ist deshalb als Flugmotor besonders geeignet. Fig. 2 zeigt, daß man durch Weglassen der Brennraumscheibe und Schließen des Gehäuses einen sehr kompakten Kompressor erhält, der beispielsweise als Lader für gängige Pkw- Motoren ähnlich dem bekannten G-Lader eingesetzt werdeb kann. Die Geometrie der S euerschlitze muß dann natürlich für diesen Zweck optimiert werden. Auch ein Pressluftmotor als Umkehrung ist so möglich.

Der in Fig. 2 dargestellte Kompressor oder Druckluftmotor weist wie das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ein Grundgehäuse 1 auf, das einen Arbeitsraum 2 mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat. In dem Arbeitsraum dreht sich um dessen Mittelachse 2' eine Ar¬ beitsscheibe 3, die einen derartigen Querschnitt hat, daß sich zwischen der Arbeitsscheibe und der Wand des Arbeits¬ raumes ein Dichtspalt ergibt. Ebenfalls in gleicher Weise wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Motor ist ein Füll- und Ausschubraum 4 mit wenigstens einem Einlaß- und einem Auslaßschlitz 5 bzw. 6 und mit ebenfalls kreisförmigen Querschnitt vorgesehen, dessen Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsraumes 2 liegt und der vom Mittelpunkt des Arbeits¬ raumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Füll- und Ausschubraumes ist, und der mit dem Arbeitsrau verbunden ist. In dem Füll- und Ausschubraum 4 dreht sich um dessen Mittelachse eine Steuerscheibe 7, deren Außenkontur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Füll- und Ausschubraumes als auch der Arbeitsscheibe einen Dichtspalt bildet. Die Arbeitsscheibe und die Steuerschei¬ be drehen sich gegensinnig.

Drehen sich die angetriebene (d.h. fremdgetriebene) Ar¬ beitsscheibe 3 und die Steuerscheibe 7 in der in Fig. 2 durch Pfeile angegebenen Richtung, so arbeitet der erfin- dungsgemäße Aufbau als Kompressor, wobei durch den den Schlitz 5 die Luft angesaugt und durch den Schlitz 6 die komprimierte Luft ausgestoßen wird.

Bei einer Drehung entgegen der in Fig. 2 angegebenen Pfeilrichtung erhält man einen Druckluftmotor. Die Druck¬ luft wird durch de4n Schlitz 6 zugeführt. Ein Fremdantrieb für die Scheiben in dann selbstverständlich nicht erfor¬ derlich, es ist vielmehr lediglich erforderlich, die Scheiben 3 und 7 zwangszukoppeln, so daß sie sich insbe¬ sondere die Arbeitsscheibe 3 mit der doppelten Drehzahl wie die Scheibe 7 dreht.

Vorstehend ist die Erfindung anhand von schematischen Ab¬ bildungen beschrieben worden. Bei einer realen Ausführung sind selbstverständlich die verschiedensten Modifikationen möglich:

So können die Einlaß- und/oder die Auslaßöffnung durch Drehschieber verschlossen werden. Anstelle eines Dreh¬ schiebers kann im Kompressorbetrieb beim Einlaßventil auch ein Rückschlagventil verwendet werden. Die Verwendung eines Rückschlagventils hat den Vorteil, daß eine variable Verdichtung möglich wird.

Weiterhin kann die Außenform des Grundgehäuses 1 von der Kreisform abweichen. Ein exzentrischer Gehäusedurchmesser hat den Vorteil, daß der Laufspalt der Arbeitsscheiben¬ spitze trotz unsymmetrischen Wärmeverzugs des Gehäuses optimal angepaßt ist. Ferner führen Freischneidungen des Gehäuses im Bereich der Öffnung 5 beim Kompressorbetrieb zu einer gleichmäßigeren Ansaugung und damit zu einem geringeren Arbeitsgeräusch bzw. beim Betrieb als Druck¬ luftmotor zur Vermeidung eines Druckstoßes beim Durchdre¬ hen der Arbeitsscheibe unter der Steuerscheibe.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verbrennungsmotor mit einem Grundgehäuse (1), das einen Arbeitsraum (2) mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat, einer Arbeitsscheibe (3) , die sich in dem Arbeitsraum um dessen Mittelachse (2') dreht, und die einen derartigen Querschnitt hat, daß sich zwischen der Arbeitsscheibe und der Wand des Arbeitsraumes ein Dichtspalt ergibt, einem Füll- und Ausschubraum (4) mit wenigstens einem Einlaß- und einem Auslaßschlitz (5 bzw. 6) und mit eben¬ falls kreisförmigen Querschnitt, dessen Mittelpunkt außer¬ halb des Arbeitsraumes (2) liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Füll- und Ausschubraumes ist, und der mit dem Arbeitsraum verbunden ist, einer Steuerscheibe (7) , die sich in dem Füll- und Ausschubraum (4) um dessen Mittelachse dreht, und deren Außenkontur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begren¬ zungswand des Füll- und Ausschubraumes als auch der Ar¬ beitsscheibe einen Dichtspalt bildet, einem Verbrennungsraum (8) mit ebenfalls kreisförmigen Querschnitt, dessen Mittelpunkt außerhalb des Arbeitsrau¬ mes liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Verbrennungsraumes ist, und der mit dem Arbeitsraum verbunden ist, einer Brennraumscheibe (9) , die sich in dem Verbren¬ nungsraum um dessen Mittelachse dreht, und deren Außenkon¬ tur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begrenzungswand des Verbrennungsraumes auch der Arbeitsscheibe einen Dichtspalt bildet, bei dem sich die Arbeitsscheibe und die Brennraumscheibe gleichsinnig und die Arbeitsscheibe und die Steuerscheibe gegensinnig drehen.

2. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Arbeitsscheibe mit der doppelten Drehzahl wie die beiden anderen Scheiben dreht.

3. Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennraumscheibe aus zwei ebenen parallelen Flächen, die durch zwei Rundungsradien miteinander verbunden sind, besteht.

4. Verbrennungsmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Drehachse der Arbeitsscheibe und der Brennraumscheibe gleich der Summe des maximalen Radius der Arbeitsscheibe und dem Rundungs¬ radius zuzüglich der Abmessung des Dichtspaltes ist.

5. Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze(n) im Brennraum in einer Ausnehmung angeordnet ist.

6. Kompressor oder Druckluftmotor mit

- einem Grundgehäuse (1) , das einen Arbeitsraum (2) mit einem im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt hat,

- einer Arbeitsscheibe (3) , die sich in dem Arbeitsraum um dessen Mittelachse (2') dreht, und die einen derartigen Querschnitt hat, daß sich zwischen der Arbeitsscheibe und der Wand des Arbeitsraumes ein Dichtspalt ergibt, eine Füll- und Ausschubraum (4) mit wenigstens einem Einlaß- und einem Ausla schlitz (5 bzw. 6) und mit eben¬ falls kreisförmigen Querschnitt, dessen Mittelpunkt außer¬ halb des Arbeitsraumes (2) liegt, und vom Mittelpunkt des Arbeitsraumes einen Abstand hat, der kleiner als die Summe des Radius des Arbeitsraumes und des Radius des Füll- und Ausschubraumes ist, und der mit dem Arbeitsraum verbunden ist,

- einer Steuerscheibe (7), die sich in dem Füll- und Ausschubraum (4) um dessen Mittelachse dreht, und deren Außenkontur so gewählt ist, daß sie sowohl mit der Begren¬ zungswand des Füll- und Ausschubraumes als auch der Ar¬ beitsscheibe einen Dichtspalt bildet, bei dem sich die Arbeitsscheibe und die Steuerscheibe gegensinnig drehen.

7. Verbrennungsmotor, Kompressor oder Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsscheibe Ausnehmun¬ gen aufweist, so daß ihr Massenschwerpunkt auf der Dreh¬ achse liegt.

8. Verbrennungsmotor, Kompressor oder Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Scheiben über ein Getriebe in Wirkverbindung stehen.

9. Verbrennungsmotor, Kompressor oder Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Räume mit einem Rundungsradius ineinander übergehen, der in der Größenord¬ nung des Krümmungsradius des Arbeitsraumes liegt.

10. Verbrennungsmotor, Kompressor oder Druckluftmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer Deckfläche des Füll- und Ausschubraumes Einlaßschlitze und Auslaß¬ schlitze vorgesehen sind.