WO2021013381A1 - Kurbelloser rotationsmotor - Google Patents

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WO2021013381A1
WO2021013381A1 PCT/EP2020/025333 EP2020025333W WO2021013381A1 WO 2021013381 A1 WO2021013381 A1 WO 2021013381A1 EP 2020025333 W EP2020025333 W EP 2020025333W WO 2021013381 A1 WO2021013381 A1 WO 2021013381A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
combustion chamber
combustion
disk
compressor
cam
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/025333
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Thomas Schmidt
Original Assignee
Manfred Thomas Schmidt
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 Manfred Thomas Schmidt filed Critical Manfred Thomas Schmidt
Publication of WO2021013381A1 publication Critical patent/WO2021013381A1/de

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C5/00—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion
    • F02C5/06—Gas-turbine plants characterised by the working fluid being generated by intermittent combustion the working fluid being generated in an internal-combustion gas generated of the positive-displacement type having essentially no mechanical power output
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine designed as a crankless rotary engine with a simple, material-saving structure, a clear mode of operation and a wide range of possible uses for a new approach to the general use and utilization of crankless engines.
  • crankless rotary motor is in its structure and mode of operation according to the invention an alternative to what has been tried and described in other inventions than rotary, rotary or rotary piston motors.
  • this machine can be the basis and the beginning of the turning away from over 150 years of the reciprocating piston and crank principle in internal combustion engines.
  • Reciprocating piston engines have always been the necessary conversion of the linear piston movements into desired rotary movements. Along with the necessary material expenditure, e.g. for connecting rods,
  • the combustion cycle only runs for every second combustion chamber. With 6 combustion chambers, pro
  • WO 2005/054644 A2 a solution is described, which is characterized by the division into a compression and a drive part and especially by the structural design in that a rotor is located in a central "combustion chamber" in a static element, the one around it arranged rotors supplied expanding combustion gases and thus the rotors are set in rotating motion.
  • Compressor chambers or rotors Compressor chambers or rotors.
  • Combustion chamber disc simultaneously as a cam disc by means of a
  • Cam surface and its slope is used to drive the compressor piston.
  • the disadvantage of this solution is that the lateral mechanical
  • the object of the invention is to eliminate or improve existing deficiencies or errors of the known prior art and to propose an alternative to known rotary, rotary or rotary piston engines.
  • a cylindrical, disk-shaped rotor hereinafter referred to as the combustion chamber disk, is located in a motor housing block, mounted in a rotating manner on a shaft.
  • rotary pistons for internal combustion engines of the same name do not do justice to what is described here, as this is not a “piston” but a rotating one Cylinder, like a rotor or an impeller.
  • a rotating one Cylinder like a rotor or an impeller.
  • Expansion chambers incorporated.
  • the combustion chambers have filling openings on the side of the housing block.
  • Combustion disk five compression cylinders, each one
  • the compressor cylinder is to be compressed with a
  • Combustion medium here preferably a fuel-air mixture, charged.
  • a cam plate with three wedge-shaped cams runs or rotates parallel to the combustion chamber disk outside the rotor housing on the same shaft as the combustion chamber disk.
  • the cams are at the same height as the combustion chambers of the
  • Combustion chamber disc and rotate / turn with these at the same time.
  • the cams actuate the compressor pistons via rods / tappets.
  • the tappets have return springs.
  • the compression cylinder and cam disk can also be accommodated in a common compact housing block, without prejudice to the fact that the combustion chamber disk naturally uses its own space to run.
  • the inventive crankless rotary motor is based on the
  • Fig. 1 shows a two-dimensional schematic representation of the
  • FIG. 2 shows a two-dimensional schematic representation of the combustion chamber disk in the housing and the associated compressor cylinder, compressor piston and lateral cam disk.
  • Compression cylinder, compressor piston, tappet and wedge cam are represented by a total of five each. Insignificant elements that impair intelligibility have been omitted.
  • FIGS. 8 to 19 the "burning" and “ejecting" processes are shown two-dimensionally from a lateral sectional perspective on the basis of a third rotation of the rotor.
  • Fig. 20 shows the firing order of the engine according to the invention.
  • a combustion medium 22 for example a fuel-air mixture, is introduced into the compressor cylinder 13, in which the compressor piston 17 is compressed by means of linear movements and at the point in time of the greatest possible density when the highest possible density is reached
  • Dead center of the compressor piston caused explosive combustion by an ignition medium, e.g. a spark plug.
  • the compressor piston 17 described here is fixed in its position at the time of ignition by the wedge cam. Therefore, the expansion of the combustion gases will lead to an overflow from the area of the Compressor cylinder 13 forced into the combustion chamber 6 located in the combustion chamber disk 2.
  • the opening of the combustion chamber 6 is located directly on the compressor cylinder 13 and clears the way for the expanding gases to pass from the compressor cylinder 13 into the combustion chamber 6.
  • the energy produced by the explosion / combustion of the fuel acts expansively in the combustion chamber 6 in the direction of rotation of the
  • Combustion chamber disk 2 "shoots" into the combustion chamber 6 and generates a useful radial rotary movement.
  • the principle corresponds to that of a paddle wheel and can be compared with the mode of operation of a Pelton turbine.
  • wedge-shaped cam 12 continues in the direction of rotation.
  • the cam 12 moves concurrently with the combustion chamber 6 of the combustion chamber disk 2, also called “first” here and marked with "I”.
  • the cam 12 releases space 25 behind it in its running direction 19 so that the plunger 16, which via a return spring 15 in the form of a
  • Negative pressure is used according to the classic reciprocating piston principle to suck in a combustion medium 22, e.g. a fuel-air mixture.
  • a combustion medium 22 e.g. a fuel-air mixture.
  • the supply 21 of the combustion medium takes place through a closing element without backflow.
  • Compressor cylinder 13 into it. It is in the same direction 26 of
  • Compressor piston 17 in the compressor cylinder moves to its maximum inner dead center.
  • the combustion medium that flowed in or sucked in is e.g.
  • the fuel-air mixture is compressed.
  • the compressed combustion medium is caused to burn or explode by an adequate ignition source 9, for example a spark plug.
  • the expanding combustion gases drive the combustion chamber 6 of the rotor combustion chamber disk 2 in the running direction 20 or the direction of rotation of the combustion chamber disk 2, which is seated on the central shaft 3 the expansion than in the respective combustion chamber 6 of the combustion chamber disk 2 in the structurally desired direction.
  • the piston is driven away by the combustion process, in this case the rotatingly movable combustion chamber 6 or the combustion chamber disk 2 in which the combustion chamber 6 is located is the component that is driven. Only that there are no power-reducing, material-intensive and failure-prone crank drives.
  • the spark plug 9 shown here on the side of the compressor cylinder 13 can also be structurally placed in the tappet 16 and in the compressor piston 17 in order to optimize the ignition and combustion process.
  • the tappet 16 or compressor piston 17 is released and snapped back by the cam 12 designated here as the “second” and marked with the letter “lowercase b”. This process is not shown separately, only reference to FIG. 3.
  • Combustion chamber 6 marked after a "working stroke” in the form of a circular arc-shaped further movement of the combustion chamber disc rotor 2, the exhaust gas opening 5. From this exhaust gas opening 5, the combustion exhaust gases 23 can escape due to the residual pressure they still have.
  • the interior space also allows a scavenging air pump to be accommodated and corresponding guidance of the scavenging air inside the combustion chamber disk 2.
  • a scavenging air pump can also be driven due to the rotary movement of the combustion chamber disk 2.
  • the compactness of the motor enables the assemblies required for its operation to be concentrated in a space-saving manner in this compactness. This does not detract from the very simple design of the engine.
  • Compressor cylinders 13 and three combustion chambers 6 each one revolution of the combustion chamber disk 2 or the shaft 3, these four described cycles take place a total of fifteen times. With one revolution of the
  • Combustion chamber disk 2 is therefore performed fifteen times work which would correspond to 15 working strokes of a reciprocating piston engine.
  • a classic four-stroke engine needs thirty revolutions for this.
  • the representation of a complete revolution of the combustion chamber disk 2 and thus all fifteen combustion and ejection processes, i.e. a total of 30 processes per revolution of the rotor, is omitted here for a better overview.
  • the figure shows the combustion chamber disk 2 in the engine block 1 and the three combustion chambers 6 located in it, here and on the following figures marked with Roman numerals I, II and III.
  • the five compressor cylinders 13 are symbolized by the points identified by the capital letters A, B, C, D and E.
  • the five exhaust gas outlets 5 are marked with white dots, as well as the direction of rotation 10 of the combustion chamber disk 2 which rotates on the shaft 3.
  • the partial revolution is shown starting with the first ignition in the combustion chamber Roman I.
  • the combustion chamber Roman II next reaches a compressor cylinder and the second ignition takes place in this within one rotation of the rotor.
  • Combustion chamber III next reaches the exhaust gas opening for emptying combustion gases.
  • Combustion chamber I whose work path or work-performing path has ended, is now emptied at the associated or closest exhaust gas opening.
  • Compressor cylinder 13 is driven by three combustion chambers 6 per revolution
  • Combustion chamber disk 2 takes place mechanical, usable work.
  • the 4 strokes of reciprocating piston engines known from the prior art namely "intake”, “compress”, “burn” and “eject” within the meaning of this invention are distributed in such a way that the compressor cylinders take over the “intake” and “compression” cycles, during the bars “Burn” and "Eject” in the combustion chambers of the
  • This type of engine combines the principles of rotary pistons and reciprocating pistons but dispensing with the efficiency-limiting crank principle as well
  • this engine can be made usable for a wide variety of designs and fuels, such as, for example, common rail injection, diesel, hydrogen, etc., a multi-fuel combustion capability is the principle aim.
  • Combustion processes are specified per revolution, but the number of combustion chambers and compressor cylinders can vary according to technically necessary requirements. This is also attributable to the concept of the invention.
  • combustion chamber 6 and more than one compressor cylinder 13 per combustion chamber disk 2 represent the basic principle of this machine.
  • combustion chamber disks 2 rotate synchronously on the same shaft 3, so that the principle shown here of the combustion chamber disks 2 with contained combustion chambers 6 and associated compressor cylinders 13 is "connected in series" one after the other or one behind the other.
  • Compressor cylinders 13 and combustion chambers 6 depending on the load requirement To make connection or disconnection of compressor cylinders 13 and / or combustion chambers 6 possible. Ignition management that depends on temperature or other criteria can also be designed here.
  • the impeller can also be used to accommodate a generator.
  • the mechanical energy of the combustion-driven impeller / rotor of the combustion chamber disc 2 can be converted directly into electrical energy without flange-mounting a generator or extra to the motor
  • Combustion chamber disk 2 are held and incorporated. For this purpose, it is also advisable, as already described above, to use the combustion chamber disk 2 at the same time, also in view of its high rotational speed, for receiving a coolant pump.
  • the principle of the centrifugal pump offers itself through the rotation.
  • The is also available in the event that a purge air pump is required
  • the cam disk 11 is again suitable for incorporating a cooling propeller function.
  • the high speed of the motor means that strong air currents can also be generated which, like the propeller of a cooler, can act on cooling fins on the housing of the motor block.
  • the internal combustion engine is air-cooled and designed for two-wheel drive, micro drives for portable applications, etc.
  • Combustion chamber disc can also run without a hub without a central shaft Design combustion chambers to be adjustable or to accommodate a gearbox or an oil pump in the combustion chamber disk. This motor is a viable approach for in-wheel motors.

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Abstract

Verbrennungsmotor, insbesondere kurbelloser Rotationsmotor, - mit einem Motorgehäuseblock (1), und - mit zumindest einer Welle (3), und - mit zumindest einem Verdichterzylinder (13) bei dem in dem Motorgehäuseblock (1) ein zylindrischer, scheibenförmiger Rotor als Brennkammerscheibe (2) mit einer Brennkammer (6), vorzugsweise mit mindestens drei Brennkammern (6), angeordnet ist, wobei die Brennkammerscheibe (2) rotierend auf der Welle (3) gelagert ist und die Brennkammer (6) eine Öffnung (27) auf der Seite des Motorgehäuseblocks (1) aufweist und am Motorgehäuseblock (1) mindestens fünf Verdichterzylinder (13) entlang des Umfangs der Brennkammerscheibe (6) vorgesehen sind.

Description

Kurbelloser Rotationsmotor
Die Erfindung betrifft einen Verbrennungsmotor, ausgeführt als kurbelloser Rotationsmotor mit einem einfachen, materialsparenden Aufbau, klarer Wirkungsweise und vielfältigen Einsatzmöglichkeiten für einen neuen Ansatz zur allgemeinen Verwendung und Nutzung von kurbellosen Motoren.
Dieser kurbellose Rotationsmotor ist in erfindungsgemäßem Aufbau und Wirkungsweise eine Alternative dessen, was bei anderen Erfindungen als Dreh-, Rotations- oder Kreiskolbenmotor versucht und beschrieben wurde.
Diese Maschine kann erfindungsgemäß Grundlage und Beginn der Abkehr von über 150 Jahren Hubkolben- und Kurbelprinzip bei Verbrennungskraftmaschinen sein.
Trotz wachsender Anwendung und großer Zukunft von E-Mobilität ist dem Verbrennungsmotor auch für die nächsten Jahrzehnte die Existenz gesichert. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff ist für den Verbrennungsmotor zukünftig großes Potential in der Anwendung
vorhersehbar. Das Gleiche gilt für jegliche alternative Brennstoffe wie z.B. Bioethanol.
Gleichwohl werden die technischen Erfordernisse und Bestrebungen dahin gehen, die Effizienz von Verbrennungskraftmaschinen zu verbessern.
Eine gewisse Blockade der Effizienzsteigerung ist bei herkömmlichen
Hubkolbenmotoren schon immer die notwendige Umwandlung der linearen Kolbenbewegungen in gewünschte Drehbewegungen gewesen. Einhergehend mit dem dafür notwendigen Aufwand an Material z.B. für Pleuel,
Ventilsteuerungen etc. und der verminderten Leistungsausbeute ist von jeher ein kurbelloser Rotations- oder Drehkolbenmotor ein Lösungsweg. Jedoch scheitelten die Ansätze in der Vergangenheit an viel zu kompliziertem Aufbau oder mangelnden Wirkungsgrad. Die DE 20 2008 012 952 Ul beschreibt eine Lösung, bei der zwei unterschiedliche, parallel und gleichlaufende Rotoren "Scheiben" zum Einsatz kommen. Die sogenannte Verdichterscheibe ist für die Takte "Ansaugen" und "Verdichten" zuständig, während die sogenannte "Brennkammerscheibe" für die Takte "Verbrennung" und "Ausstößen" zuständig ist. Dieser erfinderische Lösungsansatz findet sich mehrfach.
Als anfällig erscheint eine solche Konstruktion mit einem "versenkbaren
Mitnehmer" der gegen eine "Trennwand" läuft. Überhaupt ist die Verwendung von Ringzylindern zur Verdichtung von Gasgemischen unter Verwendung vielfältiger beweglicher Teile, welche "durch Zapfen und Nuten geführt" werden, nicht nur aus Sicht einer qualifizierten Dichtung fragiich.
Bei der technische Lösung gemäß der DE 10 2004 020 042 A1 ist es notwendig durch einen externen Kompressor vorverdichtetes Frischgas in die
Verbrennungsräume einzuführen. Diese Konstruktion führt nachteiliger Weise keinen "Verdichter-Takt" aus.
Obendrein ist wohl die Hälfte des Volumens der hier dargestellten
"Brennkammern" feststehend bzw. unbeweglich im Stator "verloren" und kann nicht zur Ableistung mechanischer Arbeit genutzt werden.
Außerdem läuft hier beschreibungsgemäß der Verbrennungszykius nur bei jeder zweiten Brennkammer ab. Bei 6 Brennkammern würden also pro
Umdrehung nur 3 Verbrennungsvorgänge und dafür auch 3
Abgasausstoßvorgänge stattfinden. Also es würde pro Umdrehung nur dreimal nutzbare Arbeit stattfinden.
Nachteilig bei der technischen Lösung gemäß der DE 44 27 105 C1 ist die erforderliche Vielzahl mannigfaltiger Einzelteile Doppel-Ringläufer, bezahnte Treibwelle, Diagonal-Segmente, Flügeiplatten, Führungsstifte usw. welche eine aufwändige, anfällige bzw. verbesserungswürdige Konstruktion erkennen lässt. In WO 2005/054644 A2 wird eine Lösung beschrieben, weiche durch die Gliederung in einen Kompressions- und einen Antriebsteil sowie besonders durch den konstruktiven Aufbau dahingehend gekennzeichnet ist, dass in einer zentralen "Brennkammer", in einem statischen Element Rotor befindlich, den darum herum angeordneten Rotoren expandierende Verbrennungsgase zugeführt und damit die Rotoren in rotierende Bewegung versetzt werden.
Diese Lösung erfordert das Vorhandensein einer feststehenden Brennkammer, in der ein kontinuierlicher Verbrennungsvorgang stattfindet, wie überhaupt auch die gesamte konstruktive Anordnung von Antriebskammern und
Verdichterkammern bzw. Rotoren.
Ein Motor gemäß DE 10 2005 038 531 Al ist vom Lösungsansatz der Ideen der "Wankel-Familie" zuzuordnen. Diesem Prinzip sind ja vielerlei Erfindungen gewidmet, kennzeichnend für den hier beschriebenen Motor ist das er nur einen nutzbaren Arbeitstakt pro Umdrehung leistet.
Auch ist bei der hiesigen Betrachtung die Ausnutzung der Verbrennungs energie zur Umwandlung in eine radiale mechanische Bewegung zu
hinterfragen. Der Wirkungsgrad erscheint, verbunden mit auch hier nicht optimaler Brennraumform und u.U. längerem Verbrennungsweg, als nicht sehr hoch.
Die in der CN 1546853 beschriebene Lösung ist durch Teilevielfalt, anfällige und aufwändige Steuerung, durch "Klappen" und Ventile, sowie besonders bemerkenswert durch das gleichzeitige Zünden eines Verbrennungsmediums in allen vorhandenen Verbrennungsräumen gekennzeichnet. Einen radialen Versatz der Verbrennungsräume, um eine Abfolge von Verbrennungs
vorgängen zur besseren energetischen Ausnutzung zu erreichen, würde zu Unwucht des rotierenden Teiles führen.
Als besonders nachteilig muss die Erledigung der einzelnen Takte
ausschließlich mithilfe einer "Klappensteuerung" gesehen werden. Die US 1 287 277 A beschreibt eine Lösung, bei welcher die
Brennkammerscheibe gleichzeitig als Nockenscheibe mittels einer
Nockenfläche und deren Steigung zum Antrieb des Verdichterkolbens dient. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass die seitlichen mechanischen
Einwirkungen der Brennkammerscheibe auf den Verdichterkolben selbst bei geringer Steigung der Nockenfläche erheblich sind. Gleichzeitig sind die starken Einwirkungen des Explosionsvorganges zu beachten, welche den Verdichterkolben entgegengesetzt, aber ebenfalls seitlich mit großer Wirkung treffen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bestehende Mängel oder Fehler des bekannten Standes der Technik zu beheben bzw. zu verbessern und eine Alternative zu bekannten Dreh-, Rotations- oder Kreiskolbenmotoren vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß befindet sich in einem Motorengehäuseblock, auf einer Welle rotierend gelagert, ein zylindrischer, scheibenförmiger Rotor, im Folgenden Brennkammerscheibe genannt.
Die beim heutigen Stand der Technik viel beschriebenen und versuchten "Drehkolben", "Radialkolben", "Kreiskolben" oder "Rotationskolben" für gleichlautende Verbrennungskraftmaschinen werden dem hier beschriebenen nicht gerecht, handelt es sich doch hierbei nicht um einen "Kolben" sondern um einen rotierenden Zylinder, gleich einem Rotor bzw. einem Laufrad. In das Innere der Brennkammerscheibe sind drei Brenn- bzw.
Expansionskammern eingearbeitet. Die Brennkammern haben Einfüllöffnungen zur Seite des Gehäuseblocks.
Auf dem Gehäuseblock sitzen seitlich, im rechten Winkel zur
Brennkammerscheibe, fünf Verdichterzylinder, welche jeweils einen
Verdichterkolben beinhalten. Der Verdichterzylinder wird mit einem zu verdichtenden
Verbrennungsmedium, hier vorzugsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, beschickt.
Parallel zur Brennkammerscheibe außerhalb des Rotorengehäuse läuft bzw. rotiert auf gleicher Welle wie die Brennkammerscheibe eine Nockenplatte mit drei keilförmigen Nocken.
Die Nocken befinden sich auf gleicher Höhe der Brennkammern der
Brennkammerscheibe und rotieren/drehen sich mit diesen gleichzeitig.
Die Nocken betätigen über Stangen/Stößel die Verdichterkolben. Die Stößel verfügen über Rückholfedern.
Gleichwohl können Verdichtungszylinder und Nockenscheibe auch in einem gemeinsamen kompakten Gehäuseblock untergebracht werden, unbeschadet dessen, dass die Brennkammerscheibe natürlich ihren eigenen Raum zum Laufen verwendet.
Gleichzeitig ergeben Brennkammerscheibe und Nockenscheibe mit ihrem konstant kreisförmigen Lauf ideale Schwungmassen für ruhigen gleichförmigen Lauf der Maschine bei geringstem Leistungsverlust.
Die konkrete, strömungsgünstige Ausformung der Verbrennungskammern wird hier nicht näher betrachtet.
Der erfindungsgemäße kurbelloser Rotationsmotor soll anhand der
nachfolgend aufgeführten Figuren 1 bis 20 näher erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung der
Brennkammerscheibe im Gehäuse in Schnittdarstellung. Für bessere Übersicht wurde die Darstellung aller unwesentlichen Elemente weggelassen. Fig. 2 zeigt eine zweidimensionale schematische Darstellung der Brennkammerscheibe im Gehäuse sowie der zugehörigen Verdichterzylinder, Verdichterkolben und seitlicher Nockenscheibe.
Für bessere Übersicht wird nur jeweils eine Brennkammer,
Verdichtungszylinder, Verdichterkolben, Stößel und Keil-Nocke von insgesamt jeweils fünf dargestellt. Unwesentliche, die Verständlichkeit beeinträchtigende Elemente sind weggelassen.
Die Fig. 3 bis 7 begleiten die Erläuterungen der Funktion des Motors an einem einzelnen Verdichterzylinder 13 und Verbrennungskammer 6 anhand
Draufsicht, zweidimensional, Schnittdarstellung.
In den Fig. 8 bis 19 werden die Vorgänge "Verbrennen" und "Ausstößen" anhand einer Drittel Umdrehung des Rotors aus seitlicher Schnitt-Perspektive zweidimensional dargestellt.
Fig. 20 zeigt die Zündfolge des erfindungsgemäßen Motors.
In den erfindungsgemäßen Motor wird ein Verbrennungsmedium 22, z.B. Kraftstoff-Luft-Gemisch, in den Verdichterzylinder 13 eingebracht, in diesem mittels linearer Bewegungen der Verdichterkolben 17 verdichtet und zum Zeitpunkt der größten möglichen Dichte beim Erreichen des äußersten
Totpunktes der Verdichterkolben durch ein Zündmedium z.B. Zündkerze zur explosiven Verbrennung gebracht.
Im Unterschied zu klassischen Hubkolbenmotoren wird jedoch mit der
Expansion der Verbrennungsgase nicht der ehemals verdichtende Kolben in lineare rückwärtige Bewegung, dem typischen Verbrennungs- bzw. Arbeitshub versetzt.
Der hier beschriebene Verdichterkolben 17 wird zum Zeitpunkt der Zündung jedoch durch die Keil-Nocke in seiner Stellung festgesetzt. Deshalb wird die Ausdehnung der Verbrennungsgase zum Übertritt aus dem Bereich des Verdichterzylinders 13 in die sich in der Brennkammerscheibe 2 befindliche Brennkammer 6 gezwungen.
Zum Zeitpunkt der Zündung befindet sich die Öffnung der Brennkammer 6 direkt am Verdichterzylinder 13 und gibt den Weg frei für den Übertritt der expandierenden Gase aus dem Verdichterzylinder 13 in die Brennkammer 6 hinein.
Die durch die Explosion/Verbrennung des Kraftstoffes entstehende Energie wirkt expansiv in die Brennkammer 6 in Drehrichtung der
Brennkammerscheibe 2 hinein, "schießt" also regelrecht in die Brennkammer 6 und erzeugt eine nutzbare radiale Drehbewegung. Das Prinzip entspricht dem eines Schaufelrades und ist zu vergleichen mit der Wirkungsweise einer Pelton-Turbine.
Fig. 3
Durch die Drehbewegung der Nockenscheibe 11 bewegt sich die hier "Erste" genannte, mit dem Kleinbuchstaben "a" gekennzeichnete, einzelne,
keilförmige Nocke 12 in Drehrichtung weiter. Die Nocke 12 bewegt sich gleichlaufend mit der Brennkammer 6 der Brennkammerscheibe 2 hier ebenfalls "Erste" genannt und mit "I" gekennzeichnet.
Dabei gibt die Nocke 12 in ihrer Laufrichtung 19 hinter sich Raum 25 frei so dass der Stößel 16, welcher über eine Rückholfeder 15 in Form einer
Spiraldruckfeder verfügt freigegeben wird. Zu diesem Zeitpunkt ist der Stößel 16 mitsamt dem daran befindlichen Verdichterkolben 17 in der Lage des maximalen inneren Totpunktes ausgefahren, die Feder 15 in Stellung ihrer maximalen Stauchung befindlich. Fig. 4
Die durch das Weiterlaufen der Nocke 12 in Laufrichtung 19 erfolgte Freigabe des Stößels 16 ermöglicht der darauf in größter Stauchung befindlichen Spiraldruckfeder 15 sich wieder auszudehnen und in linearer Bewegung ihre Ausgangsform der größtmöglichen Dehnung anzunehmen. Dabei wird der an der Feder 15 befindliche Stößel 16 und mithin der an dem Stößel befindliche Verdichterkolben 17 im Verdichterzylinder 13 linear in Richtung 14 des und zum maximal äußeren Totpunkt bewegt. Der dabei im Innenraum 18 des Verdichterzylinders 13 entstehende
Unterdrück wird nach klassischen Hubkolbenprinzip zum Ansaugen eines Verbrennungsmediums 22, z.B. Kraftstoff-Luft-Gemisch verwendet. Die Zuführung 21 des Verbrennungsmediums erfolgt durch ein Schließelement rückflussfrei.
Fig. 5
Durch die Drehbewegung der Nockenscheibe 11 in Laufrichtung 19 der Nocken wird die Nächste, hier als "Zweite" und mit dem Buchstaben "klein b" bezeichnete Nocke 12 heran und weiter geführt. Dabei drückt die Nocke aufgrund ihrer ansteigenden Keilform den Stößel 16 linear 26 in den
Verdichterzylinder 13 hinein. Dabei wird in gleicher Richtung 26 der
Verdichterkolben 17 im Verdichterzylinder zu seinem maximalen inneren Totpunkt bewegt. Bei diesem klassischen Vorgang des Verdichtungshubs wird das zuvor eingeströmte bzw. eingesaugte Verbrennungsmedium z.B.
Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet.
Fig. 6
Gleichlaufend mit der zweiten Nocke 12, hier mit Buchstabe "klein b" bezeichnet, ist auch die zweite Brennkammer 6, hier mit "II" gekennzeichnet zum Zeitpunkt des Erreichens des maximalen Totpunktes des Verdichterkolben 17 bzw. größter Verdichtung des Verbrennungsmediums am Verdichterzylinder 13 angelangt Die Brennkammer 6 verfügt über eine Öffnung ausschließlich zum Verdichterzylinder 13 hin. Diese Öffnung stimmt jetzt mit der Öffnung 8 des Verdichterzylinders 13 überein.
Das ist der Moment in dem in dieser übereinstimmenden, verbundenen
Räumlichkeit von Brennkammer und Verdichtungsraum das komprimierte Verbrennungsmedium durch eine adäquate Zündquelle 9 z.B. Zündkerze zur Verbrennung bzw. Explosion gebracht wird. Die expandierenden Verbrennungsgase treiben die Brennkammer 6 des Rotors Brennkammerscheibe 2 in Laufrichtung 20 bzw. Drehrichtung der auf zentraler Welle 3 sitzenden Brennkammerscheibe 2. Da der Verdichterkolben 17 über den Stößel 16 zu diesem Moment durch die Nocke 12 blockiert ist bestehen für die Verbrennungsgase keinerlei andere Möglichkeiten der Ausdehnung als in die jeweilige Brennkammer 6 der Brennkammerscheibe 2 in konstruktiv gewünschter Richtung. So wie bei Hubkolbenmotor der Kolben durch den Verbrennungsprozess fortgetrieben wird, ist in diesem Fall die rotierend bewegliche Brennkammer 6 bzw. die Brennkammerscheibe 2 in dem sich die Brennkammer 6 befindet das Bauteil was angetrieben wird. Nur das hier keinerlei leistungsreduzierende, materialaufwändige und störanfällige Kurbeltriebe vorhanden sind.
Die hier seitlich am Verdichterzylinder 13 dargestellte Zündkerze 9 kann konstruktiv auch im Stößel 16 und im Verdichterkolben 17 platziert werden um Zündung und Verbrennungsvorgang zu optimieren. Fig. 7
Inzwischen wiederholt sich der in Fig. 3 beschriebene Ansaughub durch
Freigabe und Zurückschnellen des Stößels 16 bzw. Verdichterkolbens 17 durch die hier als "Zweite" bezeichnete und mit Buchstabe "klein b" gekennzeichnete Nocke 12. Auf eine extra Darstellung dieses Vorganges wird verzichtet, nur Hinweis auf Fig. 3.
Nun erreicht die als "Zweite" beschriebene und mit römisch "P"
gekennzeichnete Brennkammer 6 nach erfolgtem "Arbeitshub" in Form einer kreisbogenförmigen Weiterbewegung der Brennkammerscheibe Rotor 2 die Abgasöffnung 5. Aus dieser Abgasöffnung 5 können die Verbrennungsabgase 23 aufgrund des ihnen noch innewohnenden Restdruckes entweichen.
Unabhängig von einer entsprechend strömungsgünstigen Ausgestaltung der Brennkammer 6 besteht auch Möglichkeit diesen Vorgang durch eine Zwangsspülung und gleichzeitige Kühlung der Brennkammer 6 mit Spülluft zu gestalten bzw. zu optimieren,
Die Kompaktheit der Brennkammerscheibe 2 und das Volumen dessen
Innenraumes erlaubt auch eine Unterbringung einer Spülluftpumpe und entsprechende Führung der Spülluft im Inneren der Brennkammerscheibe 2. Auch kann aufgrund der Dreh-Bewegung der Brennkammerscheibe 2 ein Antrieb einer Spülluftpumpe erfolgen. Das Gleiche gilt für eine Kühlmittelpumpe in der Brennkammerscheibe 2 selbst, zumal die Brennkammern 6 über entsprechend gestaltete Kanäle für ein Kühlmedium verfügen müssen. Die Kompaktheit des Motors ermöglicht die zu dessen Betrieb erforderlichen Aggregate konstruktiv platzsparend in diese Kompaktheit hinein zu konzentrieren. Dem konstruktiv sehr einfachen Aufbau des Motors tut dies keinen Abbruch.
Die anhand der Fig. 3 bis 7 dargestellten Vorgänge "Ansaugen", "Verdichten", "Verbrennen" und "Ausstößen" werden hier zur besseren Übersichtlichkeit mit jeweils einem Verdichterzylinder 13, einer Nocke 12 und einer Brennkammer 6 gezeigt. Bei drei Brennkammern 6 in der Brennkammerscheibe 2 erfolgen die obigen vier Takte je Verdichterzylinder 13 und je einer Umdrehung der Brennkammerscheibe jeweils drei Mal. Das heißt, dass bei fünf
Verdichterzylindern 13 und drei Brennkammern 6 je einer Umdrehung der Brennkammerscheibe 2 bzw. der Welle 3 diese vier beschriebenen Takte insgesamt fünfzehnmal Mal erfolgen. Bei einer Umdrehung der
Brennkammerscheibe 2 wird also fünfzehn Mal Arbeit verrichtet was also 15 Arbeitshüben eines Hubkolbenmotors entsprechen würde. Ein klassischer Viertaktmotor benötigt dafür dreißig Umdrehungen. Auf die Darstellung einer kompletten Umdrehung der Brennkammerscheibe 2 und damit aller fünfzehn Verbrennungs- und Ausstoßvorgänge also insgesamt 30 Vorgänge je einer Umdrehung des Rotors wird hier zu besserer Übersicht verzichtet. Fig. 8
Die Abbildung zeigt die Brennkammerscheibe 2 im Motorenblock 1 und die darin befindlichen drei Brennkammern 6, hier und auf den nachfolgenden Abbildungen mit Ziffern römisch I, II und III gekennzeichnet. Mit den durch die Großbuchstaben A, B, C, D und E gekennzeichneten Punkten werden die fünf Verdichterzylinder 13 symbolisiert. Des Weiteren sind die fünf Abgas- Auslässe 5 mit weißen Punkten gekennzeichnet sowie die Drehrichtung 10 der Brennkammerscheibe 2 die auf der Welle 3 dreht. In dieser Figur wird die Teilumdrehung beginnend dargestellt mit der ersten Zündung in der Brennkammer römisch I.
Fig. 9
Infolge der Drehbewegung des Rotors erfolgt die Entleerung der Abgase aus Brennkammer römisch II die als nächste diesen Takt erreicht.
Fig. 10
In fortlaufender Drehung erreicht Brennkammer römisch II als nächste einen Verdichterzylinder und es erfolgt in diesem die zweite Zündung innerhalb einer Umdrehung des Rotors.
Fig. 11
Als nächstes erreicht Brennkammer III die Abgasöffnung zur Entleerung von Brenngasen.
Fig. 12
Nun wird in Brennkammer III die dritte Zündung der Umdrehung erfolgen.
Fig. 13
Jetzt wird Brennkammer I, deren Arbeits^ub" bzw. Arbeit leistende Weg beendet ist an der dazugehörigen bzw. nächstliegenden Abgasöffnung entleert.
Fig. 14 Folgerichtig kommt es nun wieder in Brennkammer römisch IV zur vierten Zündung der Umdrehung am Verdichterzylinder b.
Fig. 15
Ausstoß der Verbrennungsgase von Brennkammer II.
Fig. 16
Jetzt folgend die fünfte Zündung der Umdrehung in Brennkammer II. Fig. 17
Ausstoß Verbrennungsgase von Brennkammer III.
Fig. 18
Die sechste Zündung der Umdrehung in Brennkammer III. Folglich die zweite Zündung in dieser Brennkammer.
Fig. 19
Ausstoß Abgase aus Brennkammer I.
So setzen sich die "Takte" weiter fort, es wechseln sich Zündungen und Brenngas-Ausstoß ab und es ergibt sich folgendes Schema siehe Tabelle Fig. 20 bei EINER Umdrehung der Brennkammerscheibe 2. Jeder der fünf
Verdichterzylinder 13 wird pro Umdrehung von drei Brennkammern 6
"besucht", ergibt 15 Verbrennungen, d.h. aller 24° Drehung der
Brennkammerscheibe 2 erfolgt mechanische, nutzbare Arbeit.
Das Prinzip dieser Verbrennungskraftmaschine bietet vielfältigste und flexibelste Konstruktionsmöglichkeiten auf deren Ansätze nachstehend noch eingegangen wird.
Vorteilhafterweise sind die nach Stand der Technik bekannten 4 Takte von Hubkolbenmotoren, nämlich "Ansaugen", "Verdichten", "Verbrennen" und "Ausstößen" im Sinne dieser Erfindung so verteilt, dass die Verdichterzylinder die Takte "Ansaugen" und "Verdichten" übernehmen, während die Takte "Verbrennen" und "Ausstößen" in den Brennkammern der
Brennkammerscheibe erfolgen.
Im Gegensatz zum Stand der Technik finden gemäß dieser Lösung bei einer Umdrehung nicht nur drei Verbrennungen, z.B. Wankel-Motor oder Eintakt- bzw. Zweitakt-Hubkolben-Motoren, statt, sondern bei einer Konstruktion mit drei Brennkammern und fünf Verdichtungszylindern finden beachtliche fünfzehn Verbrennungen pro Umdrehung statt. Das heißt, je Umdrehung wird fünfzehn Mal Brennmedium, z.B. Kraftstoff-Luft-Gemisch, angesaugt, verdichtet, verbrannt und ausgestoßen und hauptsächlich Arbeit verrichtet.
Der Aufwand für Ansaugen und Verdichten des Brennmediums und auch für den Auslass der Verbrennungsgase ist minimal.
Durch die Bauform einer kompakten Masse eines Rotors der
Brennkammerscheibe 2 und einer gleichlaufenden Nockenscheibe 11, die in ihrer gleichmäßigen, unabgelenkten Rotation gleichzeitig als ideale
Schwungmasse dienen ist die Abbremsung der Rotation für den Aufwand z.B. der Verdichtung gering.
Durch diese Konstruktionsart wird die nicht Kraft leistende Arbeit auf das geringstmögliche reduziert.
Die Folge der kraftleistenden Arbeit liegt so dicht hintereinander, dass eine bremsende Wirkung so gut wie nicht besteht.
Dieser Art von Motor verbindet die Prinzipien von Drehkolben und Hubkolben aber unter Verzicht auf das effizienzbegrenzende Kurbelprinzip sowie
Vermeidung einer komplizierten, materialintensiven Bauform. Aufwändige und anfällige Steuerungen durch Ventile oder Schieber oder gegenlaufende Zahnkränze entfallen.
Das ergibt eine enorm kräftige Verbrennungskraftmaschine mit großer Leistungsabgabe bei kleinstmöglicher Bauform. Die Kompaktheit des Motors erlaubt vielfältigste Einsatzmöglichkeiten.
Die Abdichtung zwischen Brennkammer 6 und Verdichterzylinder 13 bzw. zwischen Brennkammeröffnung 27 und der Wandung des Gehäuseblocks 1 ist mit dem heutigen Stand der Technik lösbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass dieser Motor für vielfältigste Bauformen und Brennstoffe nutzbar gemacht werden kann, wie z.B. auch Common-Rail-Einspritzung, Diesel, Wasserstoff usw., eine Vielstoffbrennfähigkeit ist prinzipiell angestrebt.
Unabhängig von den hier skizzierten Abbildungen, bei dem ein Rotor 2, drei Brennkammern 6 und fünf Verdichterzylinder 13 zur Erzeugung von 15
Verbrennungsvorgängen je Umdrehung angegeben sind, kann aber die Anzahl von Brennkammern und Verdichterzylinder gemäß technisch notwendigen Anforderungen variieren. Auch dies ist dem Erfindungsgedanken zuzurechnen.
Große Motoren mit großer Leistungsabgabe können durchaus auch mit weitaus mehr Brennkammern und Verdichterzylindern bestückt sein, kompakte
Motoren mit weniger.
Jedoch ist davon auszugehen, dass mehr als eine Brennkammer 6 und mehr als ein Verdichterzylinder 13 je Brennkammerscheibe 2 das Grundprinzip dieser Maschine darstellen.
Allerdings ist in der Konstruktion dieses Motors auch möglich, dass mehrere Brennkammerscheiben 2 auf gleicher Welle 3 synchron rotieren, so dass sich das hier abgebildete Prinzip der Brennkammerscheiben 2 mit beinhalteten Brennkammern 6 und dazugehörigen Verdichterzylindern 13 "in Reihe geschaltet" nacheinander bzw. hintereinander wiederfindet.
Explizit bietet sich die Konstruktionsweise mit mehreren bis vielen
Verdichterzylindern 13 und Brennkammern 6 dazu an, je nach Lastbedarf eine Zu- oder Abschaltung von Verdichterzylindern 13 und/oder Brennkammern 6 möglich zu machen. Auch von Temperatur oder anderen Kriterien abhängiges Zündmanagement lässt sich hier gut gestalten.
Da die drei Brennkammern 6 nur einen Teil des Motoren-Laufrades "Stator" also der hier bezeichneten Brennkammerscheibe 2 ausfüllen, kann das Laufrad auch gleich für die Aufnahme eines Generators genutzt werden. Somit kann die mechanische Energie des verbrennungsgetriebenen Laufrades/Rotors der Brennkammerscheibe 2 direkt in elektrische Energie umgewandelt werden, ohne extra an den Motor einen Generator anflanschen oder
Kraftübertragungselemente wie z.B. Getriebe oder Treibriemen verwenden zu müssen.
Dies ist vor allem dann von Vorteil, wenn keine Energieabnahme in Form einer drehenden Welle notwendig ist. Die Brennkammern 6 der Brennkammerscheibe 2 mit den darin
stattfindenden, Wärme erzeugenden Verbrennungsvorgängen bedürfen einer Kühlung. Dafür notwendige Kühlmittelkanäle müssen in der
Brennkammerscheibe 2 vorgehalten und eingearbeitet werden. Dazu bietet es sich auch an, wie oben schon beschrieben, die Brennkammerscheibe 2 gleichzeitig, auch in Anbetracht ihrer hohen Rotationsgeschwindigkeit, für die Aufnahme einer Kühlmittelpumpe zu nutzen. Durch die Rotation bietet sich das Prinzip der Kreiselpumpe an.
Auch im Falle der Notwendigkeit einer Spülluftpumpe bietet sich der
voluminöse Rotor zur Aufnahme an.
Konstruktiv bietet sich die Nockenscheibe 11 wiederum an, eine kühlende Propellerfunktion einzubauen. Durch die hohen Drehzahlen des Motors sind auch starke Luftströme erzeugbar, die gleich dem Propeller eines Kühlers auf Kühlrippen am Gehäuse des Motorenblockes einwirken können. So ist die Verbrennungsmaschine luftgekühlt konstruiert für Zweiradantrieb, Kleinst- Antriebe für tragbare Anwendungen etc. durchaus denkbar.
Und als Ausblick auch Denkansätze dahingehend, dass man die
Brennkammerscheibe auch nabenlos ohne zentrale Welle ausführen kann, die Brennkammern verstellbar konzipieren oder in der Brennkammerscheibe ein Getriebe oder eine Ölpumpe unterbringen kann. Dieser Motor ist ein praktikabler Ansatz für Radnabenmotoren.

Claims

Patentansprüche Anspruch 1 : Verbrennungsmotor, insbesondere kurbelloser Rotationsmotor, - mit einem Motorgehäuseblock (1), und - mit zumindest einer Welle (3), und - mit zumindest einem Verdichterzylinder (13) dadurch gekennzeichnet, dass in dem Motorgehäuseblock (1) ein zylindrischer, scheibenförmiger Rotor als Brennkammerscheibe (2) mit einer Brennkammer (6), vorzugsweise mit mindestens drei Brennkammern (6), angeordnet ist, wobei die Brennkammerscheibe (2) rotierend auf der Welle (3) gelagert ist und die Brennkammer (6) eine Öffnung (27) auf der Seite des Motorgehäuseblocks (1) aufweist und am Motorgehäuseblock ( 1) mindestens fünf Verdichterzylinder (13) entlang des Umfangs der Brennkammerscheibe (6) vorgesehen sind. Anspruch 2 : Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nockenscheibe ( 11) mit mindestens einer keilförmigen Nocke (12), vorzugsweise mindestens drei keilförmigen Nocken (12), parallel zu der Brennkammerscheibe (6) rotierend auf der Welle (3) gelagert ist, wobei die Nockenscheibe (11) und die Brennkammerscheibe (2) gleichlaufen, und die keilförmigen Nocke ( 12) und die Brennkammer (6) auf gleicher Höhe angeordnet sind. Anspruch 3 : Verbrennungsmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammerscheibe (2) und die Nockenscheibe ( 11) konstant kreisförmig laufen und eine Schwungmasse bilden. Anspruch 4: Verbrennungsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Brennkammerscheiben (2) rotierend auf der Welle (3) angeordnet sind und synchron rotieren. Anspruch 5 : Verfahren zur Zündung eines Verbrennungsmotors nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem ersten Zündvorgang ein erster Verdichterzylinder (13) mit einem Verbrennungsmediums (22) beschickt wird und in diesem verdichtet und durch ein Zündmedium gezündet wird und das expandierte Verbrennungsmedium (22) von dem ersten Verdichterzylinder ( 13) über eine Öffnung (27) in die erste Brennkammer (6.1) Übertritt, wobei die Brennkammerscheibe (2) in Bewegung gesetzt wird. Anspruch 6: Verfahren zur Zündung eines Verbrennungsmotors nach Anspruch 5, umfassend die folgenden Schritte bei fortlaufender Bewegung der Brennkammerscheibe (2) für eine Umdrehung:
(1) Zweiter Zündvorgang in der zweiten Brennkammer (6. II),
(2) Abgasentleerung der dritten Brennkammer (6. III) an einer
Abgasöffnung (5),
(3) Dritter Zündvorgang in der dritten Brennkammer (6. III),
(4) Abgasentleerung der ersten Brennkammer (6.I) an der Abgasöffnung
(5),
(5) Vierter Zündvorgang in der ersten Brennkammer (6.I),
(6) Abgasentleerung der zweiten Brennkammer (6. II) an der
Abgasöffnung (5),
(7) Fünfter Zündvorgang in der zweiten Brennkammer (6. II),
(8) Abgasentleerung der dritten Brennkammer (6. III) an der
Abgasöffnung (5),
(9) Sechster Zündvorgang in der dritten Brennkammer (6. III),
( 10) Abgasentleerung der ersten Brennkammer (6.I) an der
Abgasöffnung (5).
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