WO2016151114A1 - Brennkraftmaschine mit einem drehbaren kolbenpaar - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine (100), welche ein entlang einer Zylinderachse hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse (10) mit einer hohlzylinderförmigen Gehäusewand (12), sowie wenigstens ein um die Zylinderachse drehbares Kolbenpaar (122) mit einem in einer Querschnittsebene angeordneten ersten Scheibenelement (22) einer ersten Scheibenanordnung (20) mit einer ersten Welle (24) und einem in der Querschnittsebene angeordneten zweiten Scheibenelement (32) einer zweiten Scheibenanordnung (30) mit einer zweiten Welle (34) umfasst, wobei die erste Welle (24) und die zweite Welle (34) koaxial zueinander verlaufen, wobei die nicht-bewegten ersten und zweiten Scheibenelemente (22, 32) in Kreissegmenten (66) gleicher Größe eines inneren Querschnitts (13) des Gehäuses (10) angeordnet sind. Kolbensteuermittel (140) sind vorgesehen, so dass das erste Scheibenelement (22) und das zweite Scheibenelement (32) in Rotationsrichtung (60) inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment (66) so rotierbar sind, dass jeweils nur eines der beiden Scheibenelemente (22, 32) bewegbar ist und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina (26, 36) verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina (36, 26) vergrößert. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennkraftmaschine.

Description

Beschreibung Titel

Brennkraftmaschine mit einem drehbaren Kolbenpaar

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem drehbaren Kolbenpaar aus Scheibenelementen, insbesondere zum Antrieb von Kraftfahrzeugen, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem drehbaren Kolbenpaar aus Scheibenelementen.

Die DE 19740133 C2 offenbart einen Kreiskolbenmotor mit zwei gegeneinander beweglich gelagerten Kolben, die in einem Zylinder drehbar gelagert sind, wobei die Symmetrieachsen der Kolben und des Zylinders koaxial verlaufen. Eine Mehrzahl wirksamer Hubräume ist zwischen jeweils zwei radialen Grenzflächen der beiden jeweiligen Kolben ausgebildet, die bei Betrieb des Motors mit Bezug aufeinander eine Schwingbewegung ausführen. Es ist eine Einrichtung vorgesehen, die bewirkt, dass der Schwingbewegung eine Kreisbewegung beider Kolben überlagert ist. Es handelt sich um einen im Viertakt arbeitenden Drehkolbenmotor, der wahlweise mit vier oder acht Verbrennungsräumen ausrüstbar ist.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Brennkraftmaschine, insbesondere für den Antrieb von Kraftfahrzeugen, zu schaffen, welche ein günstiges Verbrauchsverhalten mit einem einfachen, modularen und kostengünstigen Aufbau der einzelnen Komponenten aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Brennkraftmaschine zu schaffen, welche ein günstiges Verbrauchsverhalten aufweist. Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.

Es wird eine Brennkraftmaschine vorgeschlagen, welche ein entlang einer Zylinderachse hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse mit einer

Gehäusewand, sowie wenigstens ein um die Zylinderachse drehbares Kolbenpaar mit einem in einer Querschnittsebene angeordneten ersten Scheibenelement einer ersten Scheibenanordnung mit einer ersten Welle und einem in der Querschnittsebene angeordneten zweiten Scheibenelement einer zweiten Scheibenanordnung mit einer zweiten Welle umfasst, wobei die erste Welle und die zweite Welle koaxial zueinander verlaufen, und wobei die nicht-bewegten ersten und zweiten Scheibenelemente in Kreissegmenten gleicher Größe eines inneren Querschnitts des Gehäuses angeordnet sind. Weiter umfasst die Brennkraftmaschine einen Abtrieb, welcher mit der ersten Welle gekoppelt ist und einen Abtrieb, welcher mit der zweiten Welle gekoppelt ist, sowie Fluidöffnungen in der Gehäusewand, und wenigstens eine Zündvorrichtung. In dem Gehäuse ist ein erstes Volumen zwischen dem ersten Scheibenelement und dem in Rotationsrichtung folgenden zweiten Scheibenelement eingeschlossen, und ein zweites Volumen zwischen dem zweiten Scheibenelement und dem in Rotationsrichtung folgenden ersten Scheibenelement eingeschlossen, wobei eine

Größe des ersten Volumens und eine Größe des zweiten Volumens durch eine relative Winkelposition des ersten Scheibenelements und des zweiten Scheibenelements zueinander bestimmt sind. Es sind Kolbensteuermittel vorgesehen, so dass das erste Scheibenelement und das zweite Scheibenelement in Rotationsrichtung inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment so rotierbar sind, dass jeweils nur eines der beiden Scheibenelemente bewegbar ist und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina vergrößert. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine ist als Dreitakt-Segment-Motor ausgebildet, bei dem als Kreissegment ausgebildete Scheibenelemente getaktet um einen Mittelpunkt gedreht werden. Die getaktete Drehbewegung der Scheibenelemente, wobei jeweils mindestens ein Scheibenelement eines Kolbenpaares steht, während das andere Scheibenelement des Kolbenpaares sich bewegt, kann mit Hilfe von Indexergetrieben oder Schrittgetrieben erreicht werden; auch Schrittmotoren oder andere getaktete Getriebe wie Kurvengetriebe können sich für die Ausführung der getakteten Drehbewegung der Scheibenelemente eignen.

Da die Scheibenelemente axial in der Mitte gelagert sind, entsteht weniger Reibung als bei Kolbenmotoren, da der seitliche Druck auf die Kolben über den Pleuel nicht vorhanden ist. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann auch als Antrieb eines Range Extender Fahrzeugs mit Elektroantrieb eingesetzt werden, da die Brennkraftmaschine sehr effizient arbeitet und außerdem klein und leicht aufgebaut werden kann.

Eine Querschnittsebene der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ist geometrisch in eine Mehrzahl von Kreissegmenten aufgeteilt, beispielsweise neun, zwölf, einundzwanzig, vierundzwanzig Kreissegmente, je nach Ausführungsbeispiel und gewählter Abfolge von Taktzyklen der Brennkraftmaschine. Die nicht-bewegten Scheibenelemente sind dabei physikalisch in einzelnen geometrischen Kreissegmenten angeordnet, die benachbart sein können, die aber auch freie Kreissegmente zwischen den Scheibenelementen aufweisen können. Die Scheibenelemente umfassen dabei einen Winkelbereich, der geringfügig kleiner (um wenige Winkelgrade, je nach angestrebter Verdichtung) als der Winkelbereich eines Kreissegments ist, um zwischen zwei benachbarten Scheibenelementen ein freies Volumen zur Verdichtung von angesaugtem Fluid zur Verfügung zu haben. Der Arbeitsablauf der Brennkraftmaschine verläuft so, dass beispielsweise 4 Kolbenpaare mit je einem ersten und einem zweiten Scheibenelement in 30°- Kreissegmenten in einer Querschnittsebene der Brennkraftmaschine angeordnet sind und um einen gemeinsamen Mittelpunkt rotieren. Die ersten und zweiten Scheibenelemente sind auf zwei voneinander unabhängigen Wellen angeordnet. Die ersten und zweiten Scheibenelemente decken dabei einen kleineren Winkelbereich als 30° ab, damit die ersten und zweiten Scheibenelemente, wenn sie in zwei benachbarten Kreissegmenten positioniert sind, einen dazwischen liegenden Spalt als erstes oder zweites Volumen für das komprimierte Fluid lassen. Günstigerweise umfassen die Scheibenelemente so einen Winkelbereich, der größenordnungsmäßig 1 ° bis 4° kleiner ist als ein Kreissegment, je nach beabsichtigter Verdichtung der Brennkraftmaschine, bei 30° Kreissegmenten also Scheibenelemente von ca. 26° bis 29°.

Die Taktfolgen der Brennkraftmaschine können dabei wie folgt ablaufen:

Ein erstes Scheibenelement wird um ein Kreissegment von 30° verdreht und komprimiert dabei ein Fluid, das beispielsweise ein Gas-Luftgemisch sein kann, in Drehrichtung vorne und zieht dabei beispielsweise Luft durch eine Fluidöffnung in Drehrichtung hinten an, um keinen Unterdruck im frei werdenden Volumen zu erzeugen. Andere Fluidöffnungen sind während des Vorgangs durch das Scheibenelement verschlossen. Diese Luft kann mit Schmiermittel angereichert werden, um eine Schmierung der Teile zu gewährleisten.

Danach wird ein zweites Scheibenelement um ein Kreissegment von 30° verdreht und führt einen Arbeitstakt aus, nachdem das brennbare Fluid gezündet wurde. Das zweite Scheibenelement arbeitet, da das gezündete Fluid sich ausdehnt, dabei wird Luft durch eine Fluidöffnung in Drehrichtung vorne aus dem freien Volumen gepresst, wobei weitere Fluidöffnungen durch das Scheibenelement verschlossen werden. Diese Luft kann als Pressluft gespeichert und für einen Hybridantrieb eingesetzt werden, bei dem die Pressluft den Motor antreibt und/oder über einen Druckspeicher direkt für die Ansaugung durch eine Fluidöffnung für einen Aufladeeffekt der Brennkraftmaschine verwendet werden. Dadurch wird die Energie für den dritten Takt gespeichert. Danach wird dann wieder ein erstes Scheibenelement um ein Kreissegment von 30° verdreht und stößt die verbrannten Abgase durch eine Fluidöffnung in Drehrichtung vorne aus, dabei wird auf der anderen Seite des Scheibenelements in Drehrichtung hinten Fluid oder Luft (je nach Art der Brennkraftmaschine) durch eine Fluidöffnung angesaugt oder Luft aus dem zweiten Takt eingedrückt.

In drei weiteren Takten, die für die jeweils zweiten und ersten Scheibenelemente wie vorstehend beschrieben verlaufen, wird so eine volle Umdrehung eines Kolbenpaares vollendet.

Pro Umdrehung entstehen so zwei (bei zwei 120°- Kreissegmenten, vier (bei vier 60°- Kreissegmenten), sechs (bei sechs 40°- Kreissegmenten) oder acht (bei acht 30°- Kreissegmenten) Zündungen, die je nach Bauform an einer, zwei, drei oder vier Stellen gleichzeitig stattfinden und so die Scheibenelemente antreiben. Das Schrittgetriebe sorgt bei der Zündung dafür, dass sich nur ein Scheibenelement jeweils weiterbewegen kann. Auch für diese Funktion gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Rückschlag auf die fest stehende Welle konstruktiv abzustützen: Rollenfreiläufe am äußeren Umfang, Schrittmotoren mit selbsthemmenden Antrieben, ein Klinkenmechanismus oder auch Indexergetriebe.

Der Abtrieb der Brennkraftmaschine kann über ein Differenzialgetriebe erfolgen, wobei eine Umdrehung der Welle der Brennkraftmaschine zwei Umdrehungen an der Getriebewelle ergeben können. Diese Funktion kann auch mit einem Überholgetriebe realisiert werden. Auch möglich ist die Kopplung der Bewegung der Scheibenelemente eines Kolbenpaares mit einem sogenannten Globoid- Kurvengetriebe, bei dem getaktete Bewegung und Antrieb eines Scheibenelements zusammengefasst werden können. Die Bewegungsabläufe sind dabei vorteilhaft so gestaltet, dass möglichst eine gleichmäßige Drehbewegung am Abtrieb entsteht, damit diese Drehbewegung direkt als Antrieb genutzt werden kann.

Wird der Antrieb indirekt eingesetzt, beispielsweise über einen Generator, der Antriebsräder der Scheibenelemente über Elektromotoren antreibt, wird die Abtriebsdrehzahl nicht völlig gleichmäßig sein, sondern kann eine Schwingung aufweisen. Die Scheibenelemente einer ersten und zweiten Scheibenanordnung eines Kolbenpaares sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einer Ebene angeordnet, werden dabei getaktet zueinander verdreht und wandern dabei um einen gemeinsamen Drehmittelpunkt. Die Scheibenelemente der zwei Scheibenanordnungen sind dabei auf zwei voneinander unabhängigen Wellen angeordnet.

Die Scheibenanordnungen sind beispielsweise in einer Ebene angeordnet und können in verschiedenen Stärken ausgeführt werden, je nach vorgesehenem Hubraum eines Kolbenpaares. In einer Scheibenanordnung können jeweils zwei, drei oder mehrere Scheibenelemente kreisförmig verteilt angeordnet sein. Die Scheibenelemente einer zweiten Scheibenanordnung sind jeweils versetzt dazu zwischen den Scheibenelementen der ersten Scheibenanordnung verteilt angeordnet. Günstig ist eine Anordnung von 3 Scheibenelementen einer Scheibenanordnung hintereinander, um bei jeder Bewegung jeweils 3 Takte der Brennkraftmaschine auszuführen: 1 . Fluid zünden, arbeiten und Luft auspressen, 2. Abgase ausstoßen und Fluid ansaugen, 3. Fluid komprimieren und Luft ansaugen.

Es sind auch zwei, drei oder mehrere Scheibenanordnungen übereinander gestapelt in einem Zylinder vorstellbar, die gekoppelte Drehbewegungen ausführen können, um auf diese Weise größere Hubräume realisieren zu können.

Eine weitere Funktion ist die Abschaltung von einzelnen Brennkammern, wenn die volle Leistung nicht benötigt wird. Bei oben beschriebener Ausführung kann bei Bedarf auch nur eine statt beider Zündungen stattfinden und dadurch der Motor in der Leistung und Verbrauch reduziert werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, das komprimierte Fluid, das in einem Arbeitstakt automatisch erzeugt wird, als Antrieb zum Segeln, also in einem verbrennungslosen Arbeitstakt, zu verwenden. Das komprimierte Fluid kann an verschiedenen Stellen gleichzeitig eingeblasen werden. Diese Funktion kann auch zum Starten verwendet werden, wodurch kein Anlasser benötigt wird, was eine weitere Gewichtseinsparung bietet. In einer zweiten Variante bietet sich die Möglichkeit, eine etwas geänderte Taktfolge der Brennkraftmaschine umzusetzen:

Bei einer Aufteilung von 24 (21 ) Kreissegmenten in einer Kreisscheibe ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mit einem Scheibenelement so zu gestalten, dass bei jeder Bewegung zwei Arbeitstakte mit Zündung des Fluids ausgeführt werden. Das wird durch eine zusätzliche Luftkammer ermöglicht, um die Kolbenpaare mit Luft zu versorgen. Anstatt nach 3 Teilabschnitten kann die Zündung so nach 4 Teilabschnitten angeordnet werden; es ergeben sich somit 6 Zündpunkte (bei 21 Kreissegmenten kann man 3 Teilabschnitte und 4 Teilabschnitte kombinieren: 3x3

+ 3x4 = 21 ). Somit ergeben sich immer 2 Zündungen (Arbeitstakte) pro Bewegung. Dies lässt eine noch einfachere Bauweise zu und bringt gleichzeitig einen ruhigen Lauf.

Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine liegen darin, dass die Brennkraftmaschine einen einfachen, modularen Aufbau aufweist: keine Nockenwelle / keine Kurbelwelle / kein Kurbelgehäuse, und damit eine einfache Fertigung gewährleistet. Die Brennkraftmaschine ermöglicht eine große Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen Brennkraftmaschinen. Die Verdichtung ist frei wählbar durch die Geometrie der Scheibenelemente. Es treten kaum Spülverluste auf, da die Takte klar getrennt sind. Die Brennkraftmaschine weist einen ruhigen vibrationsarmen Lauf auf. Bessere Kraftübertragung direkt auf die Welle als bei herkömmlichen Brennkraftmaschinen ist möglich, da ein hohes Drehmoment durch die Lage der Krafteinwirkung vorhanden ist.

Großer Hubraum ist auf kleinem Bauvolumen realisierbar. Eine Schmierung der Gleitflächen ist über die eingesaugte Luft möglich. Ein hybrider Betrieb durch Ausnutzung von Pressluft ist möglich, wenn die komprimierte Luft bei Bergfahrt und Bremsung gespeichert wird. Die Brennkraftmaschine ist einsetzbar für PKW / LKW / Traktoren / Baumaschinen, Kraftkopplungsanlagen etc.; außerdem für alle Arten von Brennstoffen. Wasserstoffantrieb ist prinzipiell attraktiv, da die geringere Leistung von Wasserstoff durch den höheren Wirkungsgrad ausgeglichen werden kann. Die Brennkraftmaschine weist keine Bauteile auf, die eine Fremd- /Fehlzündung erzeugen können. Es sind keine Ventile vorhanden, es treten keine zu hohen Brennraumtemperaturen auf. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid in dem ersten Volumen komprimierbar sein und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen ansaugbar sein. Weiter kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid in dem ersten Volumen zündbar und ausdehnbar sein und gleichzeitig kann ein Fluid aus dem zweiten Volumen ausstoßbar sein. Außerdem kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid aus dem ersten Volumen ausstoßbar sein und gleichzeitig kann ein Fluid in das zweite Volumen ansaugbar sein. Da die Scheibenelemente in Scheibenanordnungen jeweils kombiniert sind und so mehrere Scheibenelemente gleichzeitig sich in einer Querschnittsebene bewegen, können so auch unterschiedliche Takte in einer Bewegung einer Scheibenanordnung ausgeführt werden und sind so vorteilhaft kombinierbar.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können Kopplungsmittel zum Koppeln einer Bewegung der ersten Welle und der zweiten Welle vorgesehen sein. Damit ist ein gemeinsamer Abtrieb von Drehmomenten aus der ersten und der zweiten Welle umsetzbar. Gleichzeitig kann so dargestellt werden, dass sich nur eine Scheibenanordnung in einem Takt bewegt, während die andere Scheibenanordnung steht, indem eine Welle sich an der anderen Welle abstützt, die wiederum über eine geeignete Getriebemechanik gegen das Gehäuse abgestützt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Kopplungsmittel zwischen erster Welle und zweiter Welle ein Schrittgetriebe umfassen. Ein Schrittgetriebe stellt ein günstiges Kopplungsmittel dar, wodurch eine inkrementelle Rotation eines Scheibenelements gegen ein zweites Scheibenelement so realisierbar ist, dass jeweils nur eines der beiden Scheibenelemente bewegbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können erste Scheibenelemente der ersten Scheibenanordnung in Rotationsrichtung alternierend mit zweiten Scheibenelementen der zweiten Scheibenanordnung angeordnet sein, wobei deren maximale Anzahl jeweils einem geradzahligen Quotienten aus einer Kreisfläche und dem Dreifachen des Kreissegmentes darstellt. Eine solche geometrische Einteilung der Scheibenanordnungen in Scheibenelemente gewährleistet, dass die Brennkraftmaschine in einer günstigen Raumausnutzung und günstigen Taktfolge betrieben werden kann. Pro Umdrehung können so zwei (bei zwei 120°-Kreissegmenten), vier (bei vier 60°- Kreissegmenten), sechs (bei sechs 40°- Kreissegmenten) oder acht (bei acht 30°- Kreissegmenten) Zündungen ausgeführt werden, die je nach Bauform an einer, zwei, drei oder vier Stellen gleichzeitig stattfinden und so die Scheibenelemente antreiben. Bei einer Aufteilung von vierundzwanzig (einundzwanzig) Kreissegmenten in einer Kreisscheibe ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mit einem Scheibenelement so zu gestalten, dass bei jeder Bewegung zwei Arbeitstakte mit Zündung des Fluids ausgeführt werden. Anstatt nach drei Teilabschnitten kann die Zündung so nach vier Teilabschnitten angeordnet werden; es ergeben sich somit sechs Zündpunkte (bei einundzwanzig Kreissegmenten kann man drei Teilabschnitte und vier Teilabschnitte kombinieren: 3x3 + 3x4 = 21 ).

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Gehäuse eine Mehrzahl von Kolbenpaaren mit gekoppelten ersten Scheibenanordnungen und zweiten Scheibenanordnungen umfassen, wobei die ersten Wellen der ersten Scheibenanordnungen und die zweiten Wellen der zweiten Scheibenanordnungen jeweils miteinander gekoppelt sind und die gekoppelten Scheibenanordnungen durch Zwischenteile voneinander fluiddicht getrennt sind. Auf diese Weise lassen sich größere Hubräume auf engem Bauraum darstellen, wobei der Gesamtdurchmesser der einzelnen Scheibenanordnungen kompakt bleiben kann und nur die Höhe der Brennkraftmaschine für weitere gekoppelte Scheibenanordnungen ausgenutzt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Fluidöffnungen und Zündvorrichtungen der jeweils in einer Querschnittsebene angeordneten ersten und zweiten Scheibenanordnungen gegen die Fluidöffnungen und Zündvorrichtungen der in weiteren Querschnittsebenen angeordneten Scheibenanordnungen axial um jeweils einen Winkel, der einem Kreissegment entspricht, in einer Rotationsrichtung fortlaufend versetzt angeordnet sein. Dadurch ist es möglich, eine günstige Zündfolge und Taktung der Brennkraftmaschine umzusetzen und so die Leistung der Brennkraftmaschine effektiv und vorteilhaft auszunutzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Zwischenteile jeweils entweder mit den ersten Scheibenelementen einer der ersten Scheibenanordnungen oder den zweiten Scheibenelementen einer der zweiten Scheibenanordnungen verbunden sein. Die Zwischenscheiben als trennende Elemente zwischen den einzelnen Volumen der Brennkraftmaschine können mit den Scheibenelementen kombiniert werden, somit drehen sich die Zwischenscheiben beispielsweise mit den ersten Scheibenelementen und bleiben stehen wenn die zweiten Scheibenelemente bewegt werden. Das ermöglicht eine sehr einfache Bauweise der gesamten Brennkraftmaschine.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann eine maximale Größe einer Projektion des ersten Volumens und des zweiten Volumens auf den inneren Querschnitt des Gehäuses einem Quotienten einer Kreisfläche abzüglich der Fläche der ersten und zweiten Scheibenelemente einer ersten und zweiten Scheibenanordnung und der Anzahl von Scheibenelementen einer ersten Scheibenanordnung entsprechen. So ist denkbar, dass das erste und/oder zweite Volumen bei wenigen Scheibenelementen pro Scheibenanordnung, wie beispielsweise zwei Scheibenelementen pro Scheibenanordnung, die auch noch einem eng begrenzten Kreissegment, wie beispielsweise 20°, bzw. 30° entsprechen, ein sehr großes Volumen darstellen kann, das einem Winkelsegment von maximal 140° (bei einem 20° Kreissegment), bzw. 120° (bei einem 30° Kreissegment) entspricht. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Druckspeicher angeschlossen sein, um in einem oder mehreren der Volumina der Brennkraftmaschine komprimiertes und ausgestoßenes Fluid zu speichern. Das komprimierte Fluid, das beispielsweise auch einfach Luft sein kann, kann günstigerweise als weiterer Antrieb eines Fahrzeugs genutzt werden oder auch um die Luft für den Verbrennungsvorgang mit verbesserter Füllung zuzuführen. Die Tatsache, dass als Speichermedium für wiedergewonnene Bewegungsenergie beispielsweise Luft eingesetzt werden kann anstatt einer Batterie bringt der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine einen erheblichen Gewichtsvorteil und macht den Antrieb eines Fahrzeugs damit sehr effizient.

Zusätzlich ist die Brennkraftmaschine so auch als effizienter und kompakt bauender Kompressor einsetzbar.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse und einem drehbaren Kolbenpaar vorgeschlagen, wobei ein erstes Scheibenelement und ein zweites Scheibenelement inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment in einer Rotationsrichtung so rotieren, dass jeweils eines der Scheibenelemente steht, während das jeweils andere der Scheibenelemente sich bewegt, und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina vergrößert wird. Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine erlaubt es beispielsweise, die beschriebene Brennkraftmaschine als Dreitakt-Segment-Motor zu betreiben, bei dem Kreisscheibenelemente getaktet um einen Mittelpunkt gedreht werden. Die getaktete Drehbewegung der Scheibenelemente, wobei jeweils mindestens ein Scheibenelement eines Kolbenpaares steht, während das andere Scheibenelement des Kolbenpaares sich bewegt, kann dabei mit Hilfe von Indexergetrieben oder Schrittgetrieben erreicht werden; auch Schrittmotoren oder andere getaktete Getriebe wie Kurvengetriebe können sich für die Ausführung der getakteten Drehbewegung der Scheibenelemente eignen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid in dem ersten Volumen komprimiert und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen angesaugt werden. Eine Bewegung eines der Scheibenelemente ermöglicht so jeweils die Durchführung zweier Arbeitsvorgänge, was eine sehr effektive Ausgestaltung eines Verfahrens zum

Betreiben einer Brennkraftmaschine darstellt.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid in dem ersten Volumen gezündet und verbrannt werden und sich in dem ersten Volumen ausdehnen und gleichzeitig ein Fluid aus dem zweiten Volumen ausgestoßen werden. Dieses stellt den eigentlichen Arbeitstakt des Verfahrens zum Betreiben einer Brennkraftmaschine dar. Zusätzlich zu der eigentlich mechanischen Arbeit, die beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs genutzt werden kann, ist es aber möglich, einen weiteren Arbeitsschritt wie das Ausstoßen einer gewissen Luftmenge günstig zu nutzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente ein Fluid aus dem ersten Volumen ausgestoßen und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen angesaugt werden. Auf diese Weise lassen sich Ausstoßvorgang und Ansaugvorgang für einen neuen Arbeitstakt günstig ausnutzen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann komprimiertes Fluid gespeichert werden und zeitversetzt zum Antrieb der Scheibenanordnung durch Expansion des gespeicherten komprimierten Fluids verwendet werden. Das komprimierte Fluid, das beispielsweise auch einfach Luft sein kann, kann günstigerweise als weiterer Antrieb eines Fahrzeugs genutzt werden oder auch um die Luft für den Verbrennungsvorgang mit verbesserter Füllung zuzuführen. Weiter ist die Brennkraftmaschine jedoch so auch als Kompressor einsetzbar. Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen beispielhaft:

Fig. 1 eine Brennkraftmaschine nach einem Ausführungsbeispiel der

Erfindung in isometrischer Darstellung mit drei koaxial übereinander angeordneten Paaren von Scheibenanordnungen mit jeweils vier Kolbenpaaren;

Fig. 2 die Brennkraftmaschine nach Fig. 1 , wobei die Kolbenpaare in einem nächsten Arbeitszyklus sind; einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer Brennkraftmaschine mit vier Kolbenpaaren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 4 ein Längsschnitt durch eine Brennkraftmaschine nach Fig. 3 mit zwei koaxial übereinander angeordneten Scheibenanordnungen mit jeweils vier Kolbenpaaren;

Fig. 5a bis 5f einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer

Brennkraftmaschine mit vier Kolbenpaaren nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Arbeitszyklen;

Fig. 6 einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer

Brennkraftmaschine mit sieben Kolbenpaaren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung; einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer Brennkraftmaschine mit acht Kolbenpaaren nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung; Fig. 8a bis 8f einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer

Brennkraftmaschine mit zwei Kolbenpaaren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Arbeitszyklen; und Fig. 9 einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen einer

Brennkraftmaschine mit drei Kolbenpaaren nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung

In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.

Figur 1 zeigt eine Brennkraftmaschine 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in isometrischer Darstellung mit drei koaxial übereinander angeordneten Paaren von Scheibenanordnungen 20,30; 52,53; 54,55 mit jeweils vier Kolbenpaaren 122. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst ein entlang einer

Zylinderachse hohlzylinderförmig ausgebildetes Gehäuse 10 mit einer Gehäusewand 12, einem ersten Abschlussteil 14, und einem zweiten Abschlussteil 16. In dem Gehäuse 10 sind um die Zylinderachse drehbare Kolbenpaare 122 mit in einer Querschnittsebene angeordneten ersten Scheibenelementen 22 einer ersten Scheibenanordnung 20 mit einer ersten Welle

24 und in der Querschnittsebene angeordneten zweiten Scheibenelementen 32 einer zweiten Scheibenanordnung 30 mit einer zweiten Welle 34 angeordnet, wobei die erste Welle 24 und die zweite Welle 34 koaxial zueinander verlaufen. Die nicht-bewegten ersten und zweiten Scheibenelemente 22, 32 sind in Kreissegmenten 66 gleicher Größe eines inneren Querschnitts 13 des Gehäuses

10 angeordnet. Das Gehäuse 10 umfasst eine Mehrzahl von Kolbenpaaren 122 mit gekoppelten ersten Scheibenanordnungen 20, 52, 54 und zweiten Scheibenanordnungen 30, 53, 55 umfasst, wobei die ersten Wellen 22 der ersten Scheibenanordnungen 20, 52, 54 und die zweiten Wellen 34 der zweiten Scheibenanordnungen 30, 53, 55 jeweils miteinander gekoppelt sind und die gekoppelten Scheibenanordnungen 20, 30; 52, 53; 54, 55 durch Zwischenteile 18 voneinander fluiddicht getrennt sind. Weiter sind die korrespondierenden Scheibenanordnungen 30, 53, 55 jeweils miteinander gekoppelt und durch Zwischenteile 18 voneinander fluiddicht getrennt. Die Brennkraftmaschine 100 umfasst einen Abtrieb 50, der nur schematisch angedeutet ist, welcher mit der ersten Welle 24 gekoppelt ist und einen Abtrieb 51 , welcher mit der zweiten Welle 34 gekoppelt ist, ebenfalls schematisch angedeutet. Weiter umfasst die Brennkraftmaschine 100 Fluidöffnungen 40, 42 als Einlass 40 und Auslass 42 in der Gehäusewand 12, sowie Zündvorrichtungen 48. In dem Gehäuse 10 ist ein erstes Volumen 26 zwischen dem ersten Scheibenelement 22 und dem in Rotationsrichtung 60 folgenden zweiten Scheibenelement 32 eingeschlossen, und ein zweites Volumen 36 zwischen dem zweiten Scheibenelement 32 und dem in Rotationsrichtung 60 folgenden ersten Scheibenelement 22 eingeschlossen. Dabei sind die Größe des ersten Volumens 26 und die Größe des zweiten Volumens 36 durch eine relative Winkelposition des ersten Scheibenelements 22 und des zweiten Scheibenelements 32 zueinander bestimmt. Eine maximale Größe einer Projektion des ersten Volumens 26 und des zweiten Volumens 36 auf den inneren Querschnitt 13 des Gehäuses 10 entspricht einem Quotienten einer Kreisfläche abzüglich der Fläche der ersten und zweiten Scheibenelemente 22, 32 einer ersten und zweiten Scheibenanordnung 20, 30 und der Anzahl von Scheibenelementen 22 einer ersten Scheibenanordnung 20. Weiter sind Kolbensteuermittel 140 vorgesehen, so dass das erste Scheibenelement 22 und das zweite Scheibenelement 32 in Rotationsrichtung 60 inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment 66 so rotierbar sind, dass jeweils nur eines der beiden Scheibenelemente 22, 32 bewegbar ist und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina 26, 36 verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina 36, 26 vergrößert. In Figur 1 sind die Kreissegmente 66, die bei dem Ausführungsbeispiel 30° betragen, eingezeichnet.

In einem ersten Takt ist durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 ein Fluid in dem ersten Volumen 26 komprimierbar und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen 36 ansaugbar. Weiter ist in einem zweiten Takt durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 ein Fluid in dem ersten Volumen 26 zündbar und ausdehnbar und gleichzeitig ein Fluid aus dem zweiten Volumen 36 ausstoßbar und in einem dritten Takt ist durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 ein Fluid aus dem ersten Volumen 26 ausstoßbar und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen 36 ansaugbar. Eine erste Scheibenanordnung 20 umfasst erste Scheibenelemente 22, welche in Rotationsrichtung 60 alternierend mit zweiten Scheibenelementen 32 einer zweiten Scheibenanordnung 30 angeordnet sind, wobei deren Anzahl jeweils einen geradzahligen Quotienten aus einer Kreisfläche und dem Dreifachen des Kreissegmentes 66 darstellt. So sind die Fluidöffnungen 40, 42 und

Zündvorrichtungen 48 der jeweils in einer Querschnittsebene angeordneten ersten und zweiten Scheibenanordnungen 20, 30 gegen die Fluidöffnungen 40, 42 und Zündvorrichtungen 48 der in weiteren Querschnittsebenen angeordneten Scheibenanordnungen 52, 53, bzw. 54, 55 axial um jeweils einen Winkel 62, der einem Kreissegment 66 entspricht, in einer Rotationsrichtung 60 fortlaufend versetzt angeordnet. In Figur 1 beträgt der Winkel 62, wie dargestellt, 30°.

Die Zwischenteile 18 können jeweils entweder mit den ersten Scheibenelementen 22 einer ersten Scheibenanordnung 20, 52, 54 oder den zweiten Scheibenelementen 32 einer zweiten Scheibenanordnung 30, 53, 55 verbunden sein.

Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine als Dreitakt- Segment-Motor ist dabei wie folgt beschrieben.

Die Scheibenanordnungen 20, 30 werden getaktet um ihre Wellen gedreht. Dabei bleibt jeweils 1/3 der Fläche eines Kreisquerschnitts frei und 2/3 der Fläche durch Scheibenelemente besetzt. Diese Aufteilung kann in zwei Kreissegmenten mit je 120° und einem freiem Segment mit 120° oder vier Kreissegmenten mit je 60° und zwei freien Segmenten mit je 60° oder sechs Kreissegmenten mit je 40° und drei freien Segmenten mit je 40° erfolgen. Das Takten kann mit Hilfe von Indexergetrieben oder Schrittgetrieben, auch Schrittmotoren oder weiteren Taktantrieben, wie Kurvengetrieben erfolgen. Die Taktfolgen einer Brennkraftmaschine 100 mit zwei Scheibenanordnungen 20,

30 mit den Scheibenelementen 22 und 32 zu je 30° wären dabei wie nachstehend beschrieben. Dabei sitzen die Scheibenanordnungen 20, 30 in einer Ebene, werden zueinander verdreht und wandern dabei um einen gemeinsamen Mittelpunkt. Die Scheibenanordnungen 20, 30 sitzen auf zwei voneinander unabhängigen Wellen 24, 34. Ein erstes Scheibenelement 22 wird um ein Kreissegment von 30° verdreht und komprimiert dabei ein Fluid, das beispielsweise ein Gas-Luftgemisch sein kann, in Drehrichtung vorne und zieht dabei beispielsweise Luft durch eine Fluidöffnung als Einlass 40 in Drehrichtung hinten an, um keinen Unterdruck im frei werdenden Volumen zu erzeugen. Andere Fluidoffnungen als Auslass 42 sind während des

Vorgangs durch das Scheibenelement 22 verschlossen. Diese Luft kann mit Schmiermittel angereichert werden, um eine Schmierung der Teile zu gewährleisten. Danach wird ein zweites Scheibenelement 32 um ein Kreissegment von 30° verdreht und führt einen Arbeitstakt aus, nachdem das brennbare Fluid gezündet wurde. Das zweite Scheibenelement 32 arbeitet, da das gezündete Fluid sich ausdehnt, dabei wird Luft durch eine Fluidöffnung als Auslass 42 aus dem freien Volumen in Drehrichtung vorne gepresst, wobei weitere Fluidoffnungen als Einlass 40 durch das Scheibenelement 32 verschlossen werden. Diese Luft kann gespeichert und als Hybridantrieb eingesetzt werden oder über einen Druckspeicher 144 direkt für die Ansaugung durch eine Fluidöffnung als Einlass 40 für einen Aufladeeffekt verwendet werden. Dabei wird die Energie für den dritten Takt gespeichert. Ein Druckspeicher 144 ist beispielhaft in Figur 1 mit einem Auslass 42 zur Entnahme von komprimierter Luft und mit einem Einlass 40 zur

Einspeisung komprimierter Luft verbunden.

Danach wird dann wieder ein erstes Scheibenelement 22 um ein Kreissegment von 30° verdreht und stößt die verbrannten Abgase durch eine Fluidöffnung als Auslass 42 in Drehrichtung vorne aus, dabei wird auf der anderen Seite des

Scheibenelements in Drehrichtung hinten Fluid oder Luft (je nach Art der Brennkraftmaschine) durch eine Fluidöffnung als Einlass 40 angesaugt oder Luft aus dem zweiten Takt eingedrückt. In drei weiteren Takten, die für die jeweils zweiten und ersten Scheibenelemente

32, 22 wie vorstehend beschrieben verlaufen, wird so eine volle Umdrehung eines Kolbenpaares 122 vollendet. Pro Umdrehung entstehen so zwei (bei zwei 120°-Kreissegmenten), vier (bei vier 60°- Kreissegmenten), sechs (bei sechs 40°- Kreissegmenten) oder acht (bei acht 30°- Kreissegmenten) Zündungen, die je nach Bauform an einer, zwei, drei oder vier Stellen gleichzeitig stattfinden und so die Scheibenelemente antreiben. Das Schrittgetriebe sorgt bei der Zündung dafür, dass sich nur ein Scheibenelement 22, 32 weiterbewegen kann. Auch für diese Funktion gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Rückschlag auf die fest stehende Welle 24, 34 konstruktiv abzustützen: Rollenfreiläufe am äußeren Umfang, Schrittmotoren mit selbsthemmenden Antrieben, Klinkenmechanismus oder auch Indexergetriebe.

Der Abtrieb der Brennkraftmaschine 100 kann über ein Differenzialgetriebe erfolgen, wobei eine Umdrehung der Motorwelle zwei Umdrehungen an der Getriebewelle ergeben können. Diese Funktion kann auch mit einem Überholgetriebe realisiert werden. Auch möglich ist die Kopplung der Bewegung der Scheibenelemente 22, 32 eines Kolbenpaares 122 mit einem sogenannten Globoid-Kurvengetriebe, bei dem getaktete Bewegung und Antrieb eines Scheibenelements zusammengefasst werden können. Die Bewegungsabläufe sind dabei vorteilhaft so gestaltet, dass möglichst eine gleichmäßige Drehbewegung am Abtrieb entsteht, damit diese Drehbewegung direkt als Antrieb genutzt werden kann.

Wird der Antrieb indirekt eingesetzt, beispielsweise über einen Generator, der Antriebsräder der Scheibenelemente 22, 32 über Elektromotoren antreibt, wird die Abtriebsdrehzahl nicht völlig gleichmäßig sein, sondern kann eine Schwingung aufweisen.

Die Scheibenelemente 22, 32 einer ersten und zweiten Scheibenanordnung 20, 30 eines Kolbenpaares 122 sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung in einer Ebene angeordnet, werden dabei getaktet zueinander verdreht und wandern dabei um einen gemeinsamen Drehmittelpunkt. Die Scheibenelemente 22, 32 der zwei Scheibenanordnungen 20, 30 sind dabei auf zwei voneinander unabhängigen Wellen 24, 34 angeordnet. Die Scheibensegmente 22, 32 sind beispielsweise in einer Ebene angeordnet und können in verschiedenen Stärken ausgeführt werden, je nach vorgesehenem Hubraum eines Kolbenpaares 122. In einer Scheibenanordnung 20 können jeweils zwei, drei oder mehrere Scheibenelemente 22 kreisförmig verteilt angeordnet sein. Die Scheibenelemente 22 einer zweiten Scheibenanordnung 30 sind jeweils versetzt dazu zwischen den Scheibenelementen 22 der ersten Scheibenanordnung 20 verteilt angeordnet. Günstig ist eine Anordnung von 3 Scheibenelementen 22 einer Scheibenanordnung 20 hintereinander, um bei jeder Bewegung jeweils drei Takte der Brennkraftmaschine auszuführen: 1 . Fluid zünden, arbeiten und Luft auspressen, 2. Abgase ausstoßen und Fluid ansaugen, 3. Fluid komprimieren und Luft ansaugen.

Es sind auch zwei, drei oder mehrere Scheibenanordnungen 20, 30 übereinander gestapelt in einem Zylinder vorstellbar, wie in Figur 1 dargestellt, die gekoppelte Drehbewegungen ausführen können, um auf diese Weise größere Hubräume realisieren zu können.

Eine weitere Funktion ist die Abschaltung von einzelnen Brennkammern, wenn die volle Leistung nicht benötigt wird. Bei oben beschriebener Ausführung kann bei Bedarf nur eine statt beider Zündungen stattfinden und dadurch der Motor in der Leistung und Verbrauch reduziert werden.

Eine weitere Möglichkeit ist, das komprimierte Fluid, das in einem Arbeitstakt automatisch erzeugt wird, als Antrieb zum Segeln, also für einen zündungslosen Arbeitstakt, zu verwenden. Das komprimierte Fluid kann an verschiedenen Stellen gleichzeitig eingeblasen werden. Diese Funktion kann auch zum Starten verwendet werden, wodurch kein Anlasser benötigt wird, was eine weitere Gewichtseinsparung bietet.

Figur 2 zeigt die Brennkraftmaschine 100 nach Figur 1 , wobei die Kolbenpaare 122 in einem nächsten Arbeitszyklus sind. Beide Scheibenanordnungen 20, 30 sind insgesamt um vier Takte weitergedreht, d.h. jedes Scheibenelement 22, 32 ist jeweils um zwei Kreissegmente 66 weitergerückt. In Figur 3 ist ein Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit vier Kolbenpaaren 122a, 122b, 122c, 122d nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Kolbenpaare 122a, 122b, 122c, 122d umfassen jeweils die Scheibenelemente 22a,32a; 22b,32b; 22c,32c; 22d,32d. Auf dem Umfang des Gehäuses 10 sind in der

Gehäusewand 12 eine Reihe von Fluidöffnungen 40, 42 zum Einlass 40 und Auslass 42 von Fluid, verbranntem Fluid und Luft angeordnet. Weiter sind drei Zündvorrichtungen 48a, 48b, 48c auf dem Umfang der Gehäusewand 12 in 120° - Kreissegmenten verteilt angeordnet. Der Fluideinlass 40, der Fluidauslass 42 und die Zündvorrichtung 48 können jeweils auf drei Seiten der Brennkraftmaschine 100 angeordnet werden. Diese drei Positionen sind an verschiedenen Orten und behindern sich so gegenseitig nicht. Dies trifft auch auf die verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 100, die in den folgenden Figuren 5a bis 5f, sowie Figur 6, Figur 8 und Figur 9 dargestellt sind, zu.

Figur 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Brennkraftmaschine 100 nach Figur 3 mit zwei koaxial übereinander angeordneten Scheibenanordnungen 20, 30 mit jeweils vier Kolbenpaaren 122. Der Schnitt ist entlang der gestrichelten Linie in Figur 3 durchgeführt. Die Scheibenanordnungen 20, 30 sind auf Kugellagern 38 gelagert angeordnet. Die übereinander angeordneten Scheibenanordnungen 20,

30 sind durch Zwischenscheiben 18 voneinander getrennt. Kolbensteuermittel 140 mit Kopplungsmitteln 142 sind vorgesehen, um eine inkrementell getaktete Rotation der beiden Scheibenanordnungen 20, 30 auszuführen. Kopplungsmittel 142 sind so vorgesehen, dass eine Bewegung der ersten Welle 24 und der zweiten Welle 34 gekoppelt ist. Der Ausgang 50 der ersten Welle 24 und der Ausgang 51 der zweiten Welle 34 sind jeweils in den Kolbensteuermitteln 140, bzw. den Kopplungsmitteln 142 zusammengeführt. Beispielsweise kann ein Kopplungsmittel 142 zwischen erster Welle 24 und zweiter Welle 34 ein Schrittgetriebe umfassen. Die getaktete Drehbewegung der Scheibenelemente 22, 32, wobei jeweils mindestens ein Scheibenelement 22, 32 eines Kolbenpaares 122 steht, während das andere Scheibenelement 32, 22 des Kolbenpaares 122 sich bewegt, kann mit Hilfe von Indexergetrieben oder Schrittgetrieben erreicht werden; auch Schrittmotoren oder andere getaktete Getriebe wie Kurvengetriebe können sich für die Ausführung der getakteten Drehbewegung der Scheibenelemente 22, 32 eignen. Der Abtrieb der Brennkraftmaschine 100 kann über ein Differenzialgetriebe erfolgen, wobei eine Umdrehung der Motorwelle zwei Umdrehungen an der Getriebewelle ergeben können. Diese Funktion kann auch mit einem Überholgetriebe realisiert werden. Auch möglich ist die Kopplung der Bewegung der Scheibenelemente 22, 32 eines Kolbenpaares 122 mit einem sogenannten Globoid-Kurvengetriebe, bei dem getaktete Bewegung und Antrieb eines Scheibenelements 22, 32 zusammengefasst werden können. Die Bewegungsabläufe sind dabei vorteilhaft so gestaltet, dass möglichst eine gleichmäßige Drehbewegung am Abtrieb entsteht, damit diese Drehbewegung direkt als Antrieb genutzt werden kann.

In den Figuren 5a bis 5f ist jeweils ein Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit vier Kolbenpaaren 122a, 122b, 122c, 122d nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Arbeitszyklen dargestellt. Die Kolbenpaare 122a, 122b, 122c, 122d umfassen, wie in Figur 3, jeweils die Scheibenelemente 22a, 32a; 22b,32b; 22c,32c; 22d,32d. Auf dem Umfang des Gehäuses 10 sind in der Gehäusewand 12 eine Reihe von Fluidöffnungen 40, 42 zum Einlass 40 und Auslass 42 von Fluid, verbranntem Fluid und Luft angeordnet. Weiter sind drei Zündvorrichtungen 48 auf dem Umfang der Gehäusewand 12 in 120° - Kreissegmenten verteilt angeordnet.

Bei dem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine 100 werden ein erstes Scheibenelement 22 und ein zweites Scheibenelement 32 inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von einem Kreissegment 66 in einer Rotationsrichtung 60 so rotiert, dass jeweils eines der Scheibenelemente 22, 32 steht, während das jeweils andere der Scheibenelemente 32, 22 sich bewegt, und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina 26, 36 verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina 36, 26 vergrößert wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 in Drehrichtung vorne ein Fluid in dem ersten Volumen 26 komprimiert und gleichzeitig in Drehrichtung hinten ein Fluid in das zweite Volumen 36 angesaugt wird. In einem weiteren Takt wird durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 ein Fluid in dem ersten Volumen 26 gezündet und verbrannt und dehnt sich in dem ersten Volumen 26 in Drehrichtung hinten aus und gleichzeitig wird ein Fluid aus dem zweiten Volumen 36 in Drehrichtung vorne ausgestoßen. Im letzten Takt wird durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente 22, 32 ein Fluid aus dem ersten Volumen 26 in Drehrichtung vorne ausgestoßen und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen 36 in Drehrichtung hinten angesaugt.

Das Verfahren wird anhand der Figuren 5a bis 5f in einzelnen Schritten beschrieben.

Die Fluidöffnungen 40 stellen einen Einlass 40 dar, die Fluidöffnungen 42 einen Auslass 42. Es sind auf dem Umfang der Gehäusewand 12 drei Zündvorrichtungen 48 jeweils in einem Winkelabstand von 120° angeordnet. Die Drehrichtung 60 der Scheibenanordnungen 20, 32 ist im Uhrzeigersinn eingezeichnet.

Bei einer Ausführung mit zwei Luftkammern und Kreissegmenten von 30° (12 Kammern pro Kreisscheibe), bewegt sich jede Scheibenanordnung 20, 30 je Umdrehung zwölfmal. Bei jeder Bewegung einer Scheibenanordnung 20, 30 findet eine Zündung statt, also vierundzwanzig Zündungen bei einer vollen Umdrehung einer Scheibenanordnung 20, 30. Bei einer Drehbewegung der Scheibenanordnung 20 um ein Kreissegment 66 (in dem dargestellten Beispiel 30°) führen die einzelnen Scheibenelemente 22a, 22b, 22c, 22d folgende Arbeitsschritte aus (beispielhaft für den erreichten Zustand in Figur 5a, für die Figuren 5b bis 5f jeweils versetzt um ein Kreissegment 66 alternierend mit der Scheibenanordnung 30):

22a: Verdichten des angesaugten Fluids in Drehrichtung vorne und Ansaugen von Luft in Drehrichtung hinten;

22b: Ausstoßen Abgase in Drehrichtung vorne und Ansaugen von Fluid in Drehrichtung hinten;

22c: Ausstoßen Luft in Drehrichtung vorne und arbeiten (expandieren gezündetes Fluid) in Drehrichtung hinten;

22d: Ausstoßen Luft in Drehrichtung vorne und ansaugen von Luft in Drehrichtung hinten.

Die Scheibenelemente 32a, 32b, 32c, 32d der Scheibenanordnung 30 führen versetzt um ein Kreissegment 66 und einen Takt jeweils dieselben Arbeitsschritte aus. Die Scheibenanordnungen 20, 30 drehen sich jeweils alternierend, eine Scheibenanordnung 20, 30 dreht sich, während die andere Scheibenanordnung 30, 20 steht.

Bei dem in Figur 5a erreichten Zustand der Brennkraftmaschine 100 wird die Zündvorrichtung 48a gezündet, in Figur 5b 48c, in Figur 5c 48b, in Figur 5d 48a, in Figur 5e 48c, in Figur 5f 48b.

Komprimierte Luft kann zusätzlich gespeichert werden und zeitversetzt zum Verbrennungsvorgang zum Antrieb der Scheibenanordnungen 20, 30 verwendet werden.

Figur 6 zeigt einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit sieben Kolbenpaaren 122 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei einer Aufteilung mit einundzwanzig Kreissegmenten 66 in einer Kreisscheibe ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mit einem Scheibenelement 22, 32 zu gestalten und bei jeder Bewegung zwei Arbeitstakte zu erhalten. Das wird durch eine zusätzliche Luftkammer ermöglicht, um die Kolbenpaare mit Luft zu versorgen. Anstatt nach drei Teilabschnitten kann die Zündung so alternierend jeweils nach drei und vier Teilabschnitten angeordnet werden; es ergeben sich somit sechs Zündpunkte. Somit ergeben sich immer zwei Zündungen (Arbeitstakte) pro Bewegung. Dies lässt eine noch einfachere Bauweise zu und bringt gleichzeitig einen ruhigen Lauf.

Figur 7 zeigt einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit acht Kolbenpaaren 122 nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei einer Aufteilung mit vierundzwanzig Kreissegmenten 66 in einer Kreisscheibe ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mit einem Scheibenelement 22, 32 zu gestalten und bei jeder Bewegung zwei Arbeitstakte zu erhalten. Das wird durch eine zusätzliche Luftkammer ermöglicht, um die Kolbenpaare mit Luft zu versorgen. Anstatt nach drei Teilabschnitten kann die Zündung so nach vier Teilabschnitten angeordnet werden; es ergeben sich somit sechs Zündpunkte. Somit ergeben sich immer 2 Zündungen (Arbeitstakte) pro Bewegung. Dies lässt eine noch einfachere Bauweise zu und bringt gleichzeitig einen ruhigen Lauf.

In den Figuren 8a bis 8f ist ein Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit zwei Kolbenpaaren 122a, 122b nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in verschiedenen Arbeitszyklen dargestellt. Die Scheibenanordnung 20 umfasst die Scheibenelemente 22a, 22b, und die Scheibenanordnung 30 umfasst die Scheibenelemente 32a, 32b. Die Kreisscheibe ist in zwölf Kreissegmente 66 mit je 30° aufgeteilt, sodass die nichtbewegten Scheibenelemente 22a, 22b, 32a, 32b jeweils in einem Kreissegment 66 angeordnet sind. Die Fluidöffnungen 40 stellen einen Einlass 40 dar, die Fluidöffnungen 42 einen Auslass 42. Es sind auf dem Umfang der Gehäusewand 12 zwei Zündvorrichtungen 48 angeordnet. Die Drehrichtung 60 der Scheibenanordnungen 20, 32 ist hier im Gegenuhrzeigersinn eingezeichnet. Figur 8a stellt den Zustand dar, dass die Scheibenanordnung 20 das angesaugte Fluid verdichtet hat. Darauf wird das Fluid gezündet, die Scheibenanordnung 30 arbeitet, dreht sich weiter und drückt das verbrannte Abgas in Drehrichtung vorne durch die Fluidöffnungen 42 aus, Figur 8b. Dann dreht sich die Scheibenanordnung 20 weiter und saugt dabei durch die Fluidöffnungen 40 Fluid in Drehrichtung hinten an und drückt auf der Vorderseite der Bewegung einen Teil des verbrannten Abgases wieder aus, Figur 8c. Die Scheibenanordnung 30 verdichtet das Fluid und erreicht Figur 8d. Danach wird das Fluid gezündet, die Scheibenanordnung 20 arbeitet, drückt Abgas in Drehrichtung vorne aus und erreicht Figur 8e. Danach saugt die Scheibenanordnung 30 wieder in Drehrichtung hinten Fluid an und drückt einen Teil des Abgases in Drehrichtung vorne aus. Damit ist die Figur 8f erreicht, sodass der Arbeitszyklus wieder von vorn beginnen kann.

Die Besonderheit bei diesem Ausführungsbeispiel ist, dass nur ein kurzer Weg zur Verdichtung des Fluids benötigt wird, während der Arbeitstakt einen langen Weg umfasst, was für bestimmte Anwendungen auf Grund eines günstigen Momentenverlaufs günstig sein kann. In diesem Ausführungsbeispiel bewegt sich in einem Arbeitstakt, bei dem das gezündete Fluid sich ausdehnt, die entsprechende Scheibenanordnung 30, 20 jeweils um vier Kreissegmente 66, also 120° weiter, während beim Ansaugen des Fluids jeweils nur um ein Kreissegment 66, also 30° weitergedreht wird. Bei einer Aufteilung der Kreisscheibe in 20°- Kreissegmente 66 würde sich die entsprechende Scheibenanordnung 30, 20 in einem Arbeitstakt, bei dem das gezündete Fluid sich ausdehnt, jeweils um sieben Kreissegmente 66, also 140° weiterdrehen, während beim Ansaugen des Fluids jeweils wiederum nur um ein Kreissegment 66, also in diesem Fall um 20° weitergedreht würde.

Figur 9 zeigt einen Querschnitt durch zwei Scheibenanordnungen 20, 30 einer Brennkraftmaschine 100 mit drei Kolbenpaaren 122 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei einer Aufteilung mit neun Kreissegmenten 66 zu je 40° in einer Kreisscheibe ergibt sich die Möglichkeit, einen Antrieb mit einem Scheibenelement 22, 32 zu gestalten und bei jeder Bewegung einen Arbeitstakt zu erhalten. Dies wird dadurch ermöglicht, dass drei Zündvorrichtungen 48 im Abstand von jeweils 2 Kreissegmenten 66 zu je 40° angeordnet sind und in den restlichen Kreissegmenten 66 jeweils die Luftkammern angeordnet sind. Somit ergibt sich immer 1 Zündung (Arbeitstakt) pro Bewegung. Es finden immer drei Arbeitstakte hintereinander statt. Diese Anordnung lässt eine einfache Bauweise zu und bringt gleichzeitig einen ruhigen Lauf.

Claims

Ansprüche

1 . Brennkraftmaschine (100), umfassend

- ein entlang einer Zylinderachse hohlzylinderförmig ausgebildetes

Gehäuse (10) mit einer Gehäusewand (12),

wenigstens ein um die Zylinderachse drehbares Kolbenpaar (122) mit einem in einer Querschnittsebene angeordneten ersten Scheibenelement (22) einer ersten Scheibenanordnung (20) mit einer ersten Welle (24) und einem in der Querschnittsebene angeordneten zweiten Scheibenelement

(32) einer zweiten Scheibenanordnung (30) mit einer zweiten Welle (34), wobei die erste Welle (24) und die zweite Welle (34) koaxial zueinander verlaufen, wobei die nicht-bewegten ersten und zweiten Scheibenelemente (22, 32) in Kreissegmenten (66) gleicher Größe eines inneren Querschnitts (13) des Gehäuses (10) angeordnet sind, einen Abtrieb (50), welcher mit der ersten Welle (24) gekoppelt ist und einen Abtrieb (51 ), welcher mit der zweiten Welle (34) gekoppelt ist, Fluidöffnungen (40, 42) in der Gehäusewand (12), sowie wenigstens eine Zündvorrichtung (48),

wobei in dem Gehäuse (10) ein erstes Volumen (26) zwischen dem ersten

Scheibenelement (22) und dem in Rotationsrichtung (60) folgenden zweiten Scheibenelement (32) eingeschlossen ist, und ein zweites Volumen (36) zwischen dem zweiten Scheibenelement (32) und dem in Rotationsrichtung (60) folgenden ersten Scheibenelement (22) eingeschlossen ist,

wobei eine Größe des ersten Volumens (26) und eine Größe des zweiten

Volumens (36) durch eine relative Winkelposition des ersten Scheibenelements (22) und des zweiten Scheibenelements (32) zueinander bestimmt sind,

wobei Kolbensteuermittel (140) vorgesehen sind, so dass das erste Scheibenelement (22) und das zweite Scheibenelement (32) in

Rotationsrichtung (60) inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment (66) so rotierbar sind, dass jeweils nur eines der beiden Scheibenelemente (22, 32) bewegbar ist und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina (26, 36) verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina (36, 26) vergrößert. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid in dem ersten Volumen (26) komprimierbar ist und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen (36) ansaugbar ist, oder

wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid in dem ersten Volumen (26) zündbar und ausdehnbar ist und gleichzeitig ein Fluid aus dem zweiten Volumen (36) ausstoßbar ist, oder

wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid aus dem ersten Volumen (26) ausstoßbar ist und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen (36) ansaugbar ist.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei Kopplungsmittel (142) zum Koppeln einer Bewegung der ersten Welle (24) und der zweiten Welle (34) vorgesehen sind.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, wobei das Kopplungsmittel (142) zwischen erster Welle (24) und zweiter Welle (34) ein Schrittgetriebe umfasst.

Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei erste Scheibenelemente (22) der ersten Scheibenanordnung (20) in Rotationsrichtung (60) alternierend mit zweiten Scheibenelementen (32) der zweiten Scheibenanordnung (30) angeordnet sind, wobei deren maximale Anzahl jeweils einen geradzahligen Quotienten aus einer Kreisfläche und dem Dreifachen des Kreissegmentes (66) darstellt.

Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gehäuse (10) eine Mehrzahl von Kolbenpaaren (122) mit gekoppelten ersten Scheibenanordnungen (20, 52, 54) und zweiten Scheibenanordnungen (30, 53, 55) umfasst, wobei die ersten Wellen (22) der ersten Scheibenanordnungen (20, 52, 54) und die zweiten Wellen (34) der zweiten Scheibenanordnungen (30, 53, 55) jeweils miteinander gekoppelt sind und die gekoppelten Scheibenanordnungen (20, 30; 52, 53; 54, 55) durch Zwischenteile (18) voneinander fluiddicht getrennt sind. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, wobei die Fluidöffnungen (40, 42) und Zündvorrichtungen (48) der jeweils in einer Querschnittsebene angeordneten ersten und zweiten Scheibenanordnungen (20, 30) gegen die Fluidöffnungen (40, 42) und Zündvorrichtungen (48) der in weiteren Querschnittsebenen angeordneten Scheibenanordnungen (52, 53, bzw. 54, 55) axial um jeweils einen Winkel (62), der einem Kreissegment (66) entspricht, in einer Rotationsrichtung (60) fortlaufend versetzt angeordnet sind.

Brennkraftmaschine nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Zwischenteile (18) jeweils entweder mit den ersten Scheibenelementen (22) einer der ersten Scheibenanordnungen (20, 52, 54) oder den zweiten Scheibenelementen (32) einer der zweiten Scheibenanordnungen (30, 53, 55) verbunden sind.

Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine maximale Größe einer Projektion des ersten Volumens (26) und des zweiten Volumens (36) auf den inneren Querschnitt (13) des Gehäuses (10) einem Quotienten einer Kreisfläche abzüglich der Fläche der ersten und zweiten Scheibenelemente (22, 32) einer ersten und zweiten Scheibenanordnung (20, 30) und der Anzahl von Scheibenelementen (22) einer ersten Scheibenanordnung (20) entspricht.

0. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druckspeicher (144) angeschlossen ist, um in einem oder mehreren der Volumina (26, 36) komprimiertes und ausgestoßenes Fluid zu speichern.

1 . Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Gehäuse (10) und einem drehbaren Kolbenpaar (122),

wobei ein erstes Scheibenelement (22) und ein zweites Scheibenelement (32) inkrementell um jeweils einen Winkelbereich von wenigstens einem Kreissegment (66) in einer Rotationsrichtung (60) so rotieren, dass jeweils eines der Scheibenelemente (22, 32) steht, während das jeweils andere der Scheibenelemente (32, 22) sich bewegt, und dabei gleichzeitig die Größe des einen der beiden Volumina (26, 36) verkleinert und die Größe des anderen der beiden Volumina (36, 26) vergrößert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid in dem ersten Volumen (26) komprimiert und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen (36) angesaugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid in dem ersten Volumen (26) gezündet und verbrannt wird und sich in dem ersten Volumen (26) ausdehnt und gleichzeitig ein Fluid aus dem zweiten Volumen (36) ausgestoßen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 13, wobei durch eine Bewegung eines der Scheibenelemente (22, 32) ein Fluid aus dem ersten Volumen (26) ausgestoßen und gleichzeitig ein Fluid in das zweite Volumen (36) angesaugt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, wobei komprimiertes Fluid gespeichert wird und zeitversetzt zum Antrieb der Scheibenanordnung (20) durch Expansion des gespeicherten komprimierten Fluids verwendet wird.