-
Beim
Startvorgang 4 wird durch jeweils einen Starter
(139), (140) berührungslos über
Kreissegmente (122), (123) an der Zahnrad- bzw.
Steuerscheibe durch die Sensoren (118), (120)
gesteuert, abwechselnd ein Kolbenpaar 90°/60°/36°Kw
mitgedreht und das zweite Kolbenpaar ebenfalls durch Sensoren (125), (126)
mittels Kreissegmente (128), (129) zwei Hubmagnete
(98), (99) gesteuert und über eine Dämpferscheibe und
Dämpferfeder am Anschlag (105), (106)
einer Verriegelungsvorrichtung vor dem OT/UT über 90°/60°/36°Kw
angehalten und dann beide Kolbenpaare 45°/60°/72°Kw
bis zum OT/UT weitergedreht, um so das Arbeitsspiel aller vier Takte
zu ermöglichen und die Arbeitsposition für die
Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches wieder einzunehmen.
Nach Anlauf des Motors durch das mit dem Kp (a) und Kp (b) verbundene,
mit zwei Nuten ausgestattete Hallrad (135), (136)
und einem für Früh- und Spätzündung
verstellbaren Hallsensor (130), (131) in UT ausgelösten
Funken an der Einzelfunkenspule (144), (145),
wird mit dem Zündstartschalter (138) in Stellung
1 die Starterfunktion ausgeschaltet.
- 2.3 Die
mit Lösung der Probleme erreichbaren besonderen Vorteile
einer kolbenpaargesteuerten Rotationskolben-Brennkraftmaschine,
sind die universelle Einsatzmöglichkeit z. B. als Generatorantrieb
für Batterie- bzw. Hybridbetriebene Fahrzeuge mit effizienten
Motormanagement oder im Flugzeug- und Schiffsbau, durch die im Vergleich
zum Hubkolbenmotor kompaktere und Ressourcenschonende Bauweise und
die höhere Arbeitstaktfolge bei nur einer Arbeitswellenumdrehung
bei gleichzeitig hohem Drehmoment und niedriger Drehzahl und damit
hohem Gesamtwirkungsgrad.
Außerdem können
zur Leistungs- und Effizienzsteigerung des erfindungsgemäßen
Motorkonzeptes neue Technologien wie z. B. Abgasturboaufladung,
Direkteinspritzung und alternative Kraftstoffe (Wasserstoff, Erdgas,
Biodiesel etc.) eingesetzt werden.
-
3. Beschreibung
-
Die
Erfindung bezieht sich auf einen Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung
wie er in Bezug auf das Otto- und Diesel-Arbeitsverfahren bekannt
ist. Abweichend von den bisher nach dem Bau- und Arbeitsprinzip
bekannter Hub-, Kreis- und Drehkolbenmotoren, beschreibt die Anmeldung
eine kompakte kolbenpaargesteuerte Rotationskolben-Brennkraftmaschine
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dessen
Arbeitsprinzip dadurch gekennzeichnet ist, dass für eine
gleichgerichtete Drehbewegung zwei Kolbenpaare in der immer wiederkehrenden
Arbeitsposition eines oberen und unteren Totpunkt (OT/UT), sich
direkt gegenüberstehend, durch Zapfen eine Verdichtungs-
und Ansaugkammer bilden, sich über Kreissegmente und Positionsrad durch
Sensoren berührungslos gegenseitig steuern und dass mit
Kolbenringsegmente, rechtwinkelige und trapezförmigen Dichtelementen
eine sich 90° kreuzende, geschlossene Dichtgrenze zum ringförmigen
Zylinder, zu den Kammern und zu zwei Kolbenscheiben gebildet wird.
-
3.1 Stand der Technik
-
Seit
vielen Jahren sind u. a. Schwenk-, Doppelflügel- oder Drehkolben-Brennkraftmaschinen
bekannt, die zum größten Teil die Kraftübertragung
vom Kolben zur Arbeitswelle durch mechanische Triebwerke wie z. B.
Zahnrad- und Planetengetriebe, Kurbeltriebe, und die Steuerung der
Arbeitsspiele durch Exzenterwellen, Kulissensteine, Steuernockengestänge
und Sperrklinken übernehmen. Außerdem ist bekannt,
dass ein oder mehrere Kolbenpaare in einem ringförmigen
Zylinder durch eine gesteuerte Mechanik veränderliche Räume bilden.
Keine der oben genannten bisher bekannten Motorsysteme sind bis
heute technisch bzw. marktwirtschaftlich umgesetzt. Dies ist nicht
allein auf die meistens sehr komplex aufgebauten mechanischen Kraftübertragungs-
und Steuersysteme zurückzuführen, sondern in besonderem
Maße durch eine fehlende thermische und unter hohem Druck
wirksame Gasdichtheit an der Dichtgrenze zwischen den Räumen
der sich drehenden Kolben, zu den Kolbenscheiben und zur Innenwand
des ringförmigen Zylinders.
-
Die
Patentschrift (
DE-PS 582181 ;
1933) bezieht sich auf eine Drehkolben-Brennkraftmaschine, bei der an
einem Träger jedes in einem Ringraum durch Verbrennungsdruck
umlaufende Kolbenpaar zwei gegenläufig wirkende Kupplungen
vorgesehen sind, die eine anzutreibende Welle in der Arbeitsrichtung
mitnimmt, während die andere den ihr zugeordneten Kolben
an der rückläufigen Bewegung hindert. Eine während
des Anlassvorganges erforderliche Rückhaltevorrichtung
wird durch einen Nockenring, der mit der Tragscheibe umläuft,
dargestellt. Über eine verschiebbar gelagerte Rolle wirkt
eine Federkraft mit dem Nockenring derart zusammen, dass dieser
bis zur Überwindung eines vorbestimmten Gegendruckes festgehalten
wird.
-
Eine
Arbeits- und Brennkraftmaschine (
DE-OS 1426022 ; 1969) ist mit mindestens zwei
in einem Zylinder, um eine gemeinsame Achse umlaufenden Doppelflügelkolben
ausgestattet, die zwischen ihren Flügeln befindliche Arbeitskammern
einschließen und über ein Steuergetriebe derart
miteinander verbunden sind, dass der eine Flügelkolben,
außer seiner gemeinsamen Umlaufbewegung mit dem anderen
Flügelkolben, gegenüber letzterem noch eine zusätzliche,
die Arbeitskammern periodisch vergrößernde und
verkleinernde Relativbewegung ausführt. Mit dem Steuergetriebe
ist gegenüber dem Planetenritzel eine Exzenterscheibe des Exzentertriebes
so verstellbar, dass nicht nur der Kompressionsgrad erhöht,
sondern auch eine Vergrößerung des Arbeitskammervolumens
erzielt wird.
-
Eine
Verbrennungskraftmaschine (
DE-OS
1965865 A ; 1971) ist in einem Ausführungsbeispiel
so beschrieben, dass ein Ringzylinder mit Gehäuse und Zahnrad
feststehen. Welle und Schwungscheibe sind miteinander verbunden.
Vier Doppelkolben als Kolbenpaar sind mit der zugehörigen
Kolbenscheibe starr verbunden. Die Kreisbewegung der Kolben wird
von der Welle ausgehend über das feststehende Zahnrad,
dem Planetengetriebe und einer Exzenterwelle, die über
Kulissensteine mit der Kolbenscheibe verbunden sind, erzeugt, so
dass sich zylindrische Räume periodisch vergrößern
und verkleinern. Das Übersetzungsverhältnis der
Planeten-Zahnräder zum feststehenden Zahnrad beträgt
2:1. Auf die Drehzahl der Exzenterwelle bezogen entspricht die Ausführung
einem Viertakt-Achtzylinder-Gegenkolbenmotor.
-
Eine
Bogenkolben-Brennkraftmaschine (
DE-OS 2353807 A1 , 1975) ist dadurch gekennzeichnet,
dass jeweils zwei sich in einem Ringhohlraum des Gehäuses
gegenüberliegende Bogenkolben durch zwei überkreuz
auf einer Pendelwelle verankerten Kolbenhebeln zu zwei Bogenkolbenpaaren
verbunden sind, die durch verdrehen der beiden Kolbenhebeln gegenseitig
vier Volumen ändernde Brennkammern im Ringhohlraum bilden,
die jeweils von zwei Bogenkolben begrenzt werden. Die Steuerung
des Gaswechsels in den vier Brennkammern wird durch Drehen eines
mit Schlitzen versehenen, auf einem zentrischen Ansaugstutzen, der
trichterförmigen Ausbildung des Gehäuses gelagerten
und gegen die trichterförmigen Fläche dichtenden
Steuerkegels durchgeführt.
-
Bei
einem bekannten Drehkolben-Verbrennungsmotor (
DE-OS 3046725 A1 ; 1982)
sind in einem Ringzylinder jeweils zwei diametral gegenüberliegende
Kolben an zwei aneinander anliegenden scheibenförmigen Halterungseinrichtungen
befestigt. Am Umfang des Ringzylinders sind eine Anzahl von Auslässen
und Einlässen angeordnet, so dass zu jedem Zeitpunkt jeweils
diametral gegenüberliegende Verbrennungs-, Ansaug-, Kompressions-
und Ausstoßkammern gebildet werden, deren Lage sich während
der Bewegung der Kolbenpaare entlang des Ringzylinders verschiebt.
Der jeweils nachlaufende Kolben wird am Ende des Kompressionsvorgangs
mechanisch mittels einer Klinkenradanordnung gegen eine Rückwärtsbewegung
arretiert, wobei in Kolbendrehrichtung eine Relativbewegung überlagert
wird, so dass bei der Drehung des Kolbensystems volumenveränderliche
Kammern gebildet werden. Zwischen den Kolbensystemen sind getrennte
Getriebeeinrichtungen zur Verbindung der Kolbensysteme mit der Arbeitswelle
vorgesehen.
-
Eine
ebenfalls bekannte Brennkraftmaschine (
DE-OS 3038500 A1 ; 1982)
mit kreisförmiger Umlaufbahn der Kolbenpaare ist in mehrere
Zonen unterteilt und erhält in jeder Zone einen Arbeitsimpuls
nach dem Viertaktverfahren. In jeder Zone läuft ein Kolbenpaar,
wobei ein Kolben davon als Arbeitskolben ausgebildet ist und über
einen Hebel den Arbeitsdruck auf die Hauptwelle überträgt.
Ein Gegenkolben ist mit einer Sperrklinke und Andrückfeder
ausgerüstet, die in einer Raste die Abstützung
zwischen Arbeits- und Gegenkolben während des Brennvorgangs übernimmt.
Die Auslass- und Einlassventile werden über ein Steuergestänge
und innenverzahnte Zahnräder durch Steuernocken betätigt.
-
Eine
bekannte Verbrennungskraftmaschine (
DE-OS 3330125 A1 ; 1985) arbeitet im Zwei-
und Viertaktverfahren mit einem Schwenkkolben. Dieser Schwenkkolben
in einem Hohlzylinder mit einem oder mehreren festen Trennsegmenten
und mit einem oder mehreren Kolbensegmenten auf der Welle, die in
den Zylinderböden gelagert ist, wird durch Verbrennungsdruck
in eine hin und her pendelnde Bewegung versetzt. Die Pendelbewegung
wird dabei über Zahnräder und Freiläufe
in fortlaufende Bewegung umgesetzt.
-
In
einem Oszillationskolbenmotor (Oscillating Piston Engine) (
US-PS 5222463 ; 1993) bewegen
sich acht gebogene Kolben in einem ringförmigen Brennraum
(Toroid). Jeweils vier Kolben sind dabei auf einer eigenen zentralen
Scheibe befestigt. Die beiden Scheiben sind wiederum mit einer von
zwei Antriebswellen verbunden, die koaxial nach außen geführt
sind. Die beiden Scheiben bewegen sich mit ihren je vier Kolben
im Viertaktprozess oszillierend gegenläufig, sodass jeweils
zwei Kolben ein Paar bilden zwischen denen sich die vier Takte im
rotierenden Toroid abspielen. Die gegenläufige Bewegung
der Antriebswellen wird durch einen Kurbeltrieb in eine Drehbewegung
umgesetzt. Die Kolbenstirnflächen haben eine Form die einem
flachen Kegel entspricht, welche einen Kompressionsraum in den vier
Kammern freihalten, wenn sich die Kolben beim Arbeitsspiel direkt
gegenüberstehen. Jeder Kolben ist mit mehreren Kolbenringen
ausgestattet, die eine Abdichtung zu allen ringförmig bewegenden
Bauteilen gewährleisten soll.
-
3.2 Aufgabenstellung
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein funktionsfähiges,
wirtschaftlich und technisch umsetzbares Motorkonzept in kompakter
Bauweise mit geringem Fertigungsaufwand und neuem Arbeitsprinzip
darzustellen, das gegenüber dem heute u. a. im Kraftfahrzeug
eingebauten Hubkolbenmotor nicht nur einen verbesserten Gesamtwirkungsgrad
erzielt, sondern auch eine wesentlich vereinfachte Steuerung und
Regelung, der in einem ringförmigen Zylinder umlaufenden
Kolbenpaare, beinhaltet. Außerdem soll eine geschlossene Dichtgrenze
an den Kolben und zur Gehäusewand, mit der sich 90° kreuzenden
Kolbenscheibe, dargestellt werden. Der vorliegenden Erfindung liegt
weiterhin die Aufgabe zugrunde, einen Motor mit hohem Drehmoment
und langer Lebensdauer bei niedriger Drehzahl bereitzustellen, der
die heutigen Anforderungen nach Kraftstoff- bzw. Energieeinsparung
sowie geringer umweltschädlicher Abgasemissionen (z. B.
CO2-Ausstoß) auch mit Wasserstoffantrieb
oder andere alternative Brennstoffe (Erdgas, Biodiesel etc.) erfüllen
kann. Eine weitere Aufgabe ist es, mit geringem Aufwand eine sichere,
wirkungsvolle und einfache Kühlung des Motors sowie eine
zwischen den Kolbenscheiben integrierte Ölpumpenfunktion
für eine Druckumlaufschmierung, zur Verfügung
zu stellen.
-
3.3 Arbeitsprinzip
-
Die
in dieser Erfindung zu beschreibende kolbenpaargesteuerte Rotations-Brennkraftmaschine 50, 60 beinhaltet
das besonders vorteilhafte Konzept von zwei sich in einem ringförmigen
Gehäuse um eine gemeinsame Achse drehende Kolbenscheiben
mit je zwei symmetrisch angeordneten, gebogene Kolben als Kolbenpaare
(Kp), die direkt in einem oberen und unteren Totpunkt (OT/UT) gegenüberstehend,
eine wiederkehrende Arbeitsposition für die abwechselnd
gleichgerichtete Drehbewegung, ohne Einschränkung durch
Zahnrad- oder Kurbelgetriebe, einnehmen. Mit der Ausgestaltung von
zwei Zapfen an den Stirnseiten der Kolben, wird im OT eine Ansaugkammer
und im UT eine Arbeitskammer mit minimalem Volumen (Vc) gebildet.
Zwischen der Kolbenrückseite der Kp entsteht dabei eine
Verdichtungs- (Vh) und Expansionskammer mit maximalem Volumen. Die
Summe der Winkelgrade von zwei Kolben mit Zapfen und Kolbenhub beträgt
immer 180° Kurbelwinkel (Kw). Durch die Expansionskraft
des komprimierten und gezündeten Kraftstoff-Luft-Gemisches
zwischen zwei Kolben in der Arbeitskammer bleibt abwechselnd ein
Kp, sich durch eine Rücklaufsperre im Gehäuse
abstützend, stehen und bei einer gewählten Kolbenlänge
von 45°/60°/72°Kw und der Drehbewegung von
90°/60°/36°Kw werden gleichzeitig mit
dem zweiten Kp, in vier Kammern, die Arbeitsspiele eines Viertaktmotors
ausgeführt und eine Arbeitswelle (Aw) mit Schwungrad durch
eine entgegengesetzt wirkende Rücklaufsperre mitgedreht.
-
Durch
thermischen Druck und kinetische Energie werden dann die Kolbenpaare
gemeinsam und direkt gegenüberstehend um 45°/60°/72°Kw
weitergedreht und nach 135°/120°/108°Kw
ein neuer Arbeitstakt (At) begonnen. Die Kolbenpaare drehen sich
zur Arbeitswelle ohne Getriebe im Verhältnis 2:3/2,25:3/2,5:3
und es werden dabei 8/9/10 At erzeugt. (siehe Tabelle 1, Drehzahl
Kp gewählt mit n = 1000 U/min). Tabelle 1
| Kolbenwinkel
Kp a, b
°Kw | Kolbenhub
Vh
°Kw | At-Folge nach
°Kw | At/Umdreh.
Aw
na | Drehzahl
n
Aw | Übersetzung
Kp/Aw | At
bei 3 Umdreh. Aw
na | Übersetzung
Kp/Aw |
| | | | | | | | |
| 45 | 90 | 135 | 2,67 | 1500 | 0,67 | 8,00 | 2,00:3 |
| 50 | 80 | 130 | 2,77 | 1444 | 0,69 | 8,31 | 2,08:3 |
| 55 | 70 | 125 | 2,88 | 1389 | 0,72 | 8,64 | 2,16:3 |
| 60 | 60 | 120 | 3,00 | 1333 | 0,75 | 9,00 | 2,25:3 |
| 65 | 50 | 115 | 3,13 | 1278 | 0,78 | 9,39 | 2,35:3 |
| 70 | 40 | 110 | 3,27 | 1222 | 0,82 | 9,82 | 2,45:3 |
| 72 | 36 | 108 | 3,33 | 1200 | 0,83 | 10,00 | 2,50:3 |
| 75 | 30 | 105 | 3,43 | 1167 | 0,86 | 10,29 | 2,57:3 |
-
Innerhalb
eines konstanten 180°Kw umfassenden Kreissegmentes im Zylinder
des Gehäuses 17, 18, 19, wird
das Verdichtungs- und Hubverhältnis durch die veränderbare
Länge der Zapfen 48 und/oder der Kolbenwinkel
bzw. Kolbenlänge 1–4 und dessen
Durchmesser bestimmt. In der Kompressionskammer 27 sind zwei Öffnungen 30 vorgesehen,
die mit einer Druckluftleitung 32 und einem elektrisch
regelbaren Ventil 52 verbunden sind aufweist, das den Kompressionsdruck
von der Verdichtungs- zur Ansaugkammer ausgleichen kann, wenn sich
ein Kolben zwischen den beiden Öffnungen befindet. Mit
Hilfe dieses Ventils kann das erforderliche Starterdrehmoment und
die Motorleistung (z. B. mit einem Drehpotentiometer am Gaspedal
oder anderen Stellorganen), über die veränderbare
Verdichtung Vc geregelt werden. In der Expansionskammer befindet
sich eine weitere Öffnung 31, die mit einem Rückschlagventil 54 verschlossen
ist und bei Unterdruck die Kammer 29 öffnet, um
den Startvorgang zu erleichtern.
-
Im
weiteren Verlauf wird die Motorsteuerung der folgenden Betriebszustände
beschrieben:
- • Motor starten und Zündvorgang
- • Motorsteuerung im Leerlauf
- • Motorsteuerung im Teil- und Vollastbereich
-
3.4 Motor starten und Zündvorgang
-
Der
Startvorgang unterscheidet sich zum Hubkolbenmotor dadurch, dass
die Kolbenpaare des Motors erfindungsgemäß nicht über
eine Kurbelwelle und Pleuelstange, sondern dass jedes Kolbenpaar
und die Arbeitswelle mit Schwungrad sensorgesteuert, direkt über
je einen Starter, wechselseitig angetrieben wird.
-
Beim
ersten Startvorgang des Motors mit einem Zündstartschalter 138 befindet
sich noch kein zündfähiges Gemisch in der Ansaugkammer.
Die Kolbenpaare werden aus jeder zueinander sich zufällig
ergebenden Stellung heraus, mit einem/oder beiden Startern in die Arbeitsposition
des OT/UT gedreht und das Kp b durch eine wechselseitig wirkende
sensorgesteuerte Verriegelungsvorrichtung angehalten. Mit dem Starter von
Kp a werden dann vier Arbeitsspiele (ansaugen, verdichten, expandieren,
ausschieben) ausgeführt und ein Zündfunke für
den At aktiviert.
-
Dies
wird erfindungsgemäß dadurch möglich,
dass auf jeder Seite des Gehäuses im OT zwei induktive Sensoren
(oder Sensoren mit gleicher Funktionalität) über
zwei äußere Kreissegmente mit dem Kurbelwinkel von
135°/120°/108° und zwei inneren Kreissegmente
von 100°/70°/46°Kw, welche mit den Kolbenpaaren
in Verbindung stehen, berührungslos vier Hubmagnete und
zwei Starter so steuern, dass in Drehrichtung der Arbeitswelle das
Kp a durch b und umgekehrt, über zwei Anschläge
an einer Dämpferscheibe mit Dämpferfeder bei erreichen
des OT solange festgehalten wird, bis das Kp a bzw. b sich an den
Zapfen 48 berühren. Das dabei verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch
wird dann mit beiden Kolbenpaaren 45°/60°/72°Kw
durch den Starter des Kp a bis in den UT weitergedreht. Erfolgt
keine Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wird das Kp
b vom Starter des Kp b wieder 90°/60°/36°Kw
weitergedreht. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis der Zündstartschalter
auf Stellung „0” gestellt wird oder der Motor
selbsttätig anläuft. Ist der Motor gestartet,
wird der Zündstartschalter 138 auf die Stellung „1” gedreht.
Der Startvorgang des Motors wird durch das elektrisch regelbares
Druckausgleichsventil 52 zwischen der Kammer 26, 27 und
dem Rückschlagventil 54 in Kammer 29 wesentlich
erleichtert.
-
3.5 Motorsteuerung im Leerlauf
-
Der
Zündfunke wird vorzugsweise durch einen Hallsensor und
einem Hallrad mit zwei Nuten direkt über die Kp a, b gesteuert
und über zwei Einzelfunkenspulen, die an eine Batterie
angeschlossen sind, erzeugt. Die Steuerung einer Früh-
und Spätzündung kann, wie bei herkömmlichen
Motoren, über eine Unterdruckdose, die über den
Ansaugkanal gespeist wird, automatisch erfolgen.
-
Ist
der Motor gestartet, kann sich nun abwechselnd das Kp a, b selbsttätig,
bei gleichzeitiger Mitnahme der Arbeitswelle 58 durch die
entgegengesetzt wirkende Rücklaufsperre, um 90°/60°/36°Kw
weiterdrehen. Dabei werden gleichzeitig alle erforderlichen Arbeitsspiele
ausgeführt. Dieser Vorgang wiederholt sich bis der Motor
ausgeschaltet wird. Der Verdichtungsdruck in der Kammer 27 wird über
ein elektrisch steuerbares Ventil 52 zur Druckregelung
in Verbindung mit dem Gaspedal (E-Gas) bzw. anderen geeigneten Stellmechanismen
so geregelt, dass sich beide Kolbenpaare nach 90°/60°/36°Kw
maximal noch leicht an den Zapfen 48 berühren und
die Leerlaufdrehzahl konstant gehalten wird. Durch die Übertragung
des expandierenden thermischen Gasdruckes und der kinetischen Energie
auf das zweite Kolbenpaar werden beide Kolbenpaare, direkt gegenüberstehend,
45°/60°/72°Kw weitergedreht. Das überschüssige
Kraftstoff-Luft-Gemisch wird über die Druckluftleitung 32 in
die Ansaugkammer 26 zurückgeführt. Das
Schwungrad unterstützt in diesem Betriebszustand eine gleichmäßige
Drehbewegung der Arbeitswelle.
-
3.6 Motorsteuerung im Teil- und Volllastbereich
-
Wird
die Zufuhr des zündfähigen Kraftstoff-Luft-Gemisches
durch betätigen des Gaspedals verändert, wird
gleichzeitig das elektrisch regelbare Ventil 52 geöffnet
oder weiter geschlossen und der Verdichtungsdruck in der Kammer 27 und
die Arbeitsleistung bzw. Drehzahl des Motors verringert oder erhöht.
Auch in diesem Betriebszustand wird das nachfolgende Kolbenpaar
durch die entgegen der Drehrichtung wirkende Reaktionskraft selbsttätig
im OT/UT solange stehen bleiben, bis das arbeitende Kolbenpaar das
stehenden Kolbenpaar an seinem Zapfen berührt und dann
durch Übertragen des thermischen Gasdruckes und der kinetischen
Energie bzw. des Schwungmomentes wieder bis zum UT/OT und nächsten
At mitdreht. Zusätzlich zum regelbaren Ventil 52 wird
die Drehzahl der Kp a, b und die Arbeitsleistung des Motors durch
die Früh- oder Spätzündung über
eine Unterdruckdose, die mit beiden sich drehbar gelagerten Hallsensoren
verbunden ist, geregelt.
-
Durch
die vorteilhafte Gestaltung des Arbeitsprinzips und der Motorsteuerung,
bei dem abwechselnd ein Kolbenpaar durch das andere berührungslos
gesteuert wird, ist es möglicht den Motor ohne Zahnrad-
oder Kurbelgetriebe aus einer beliebigen Position innerhalb des
ringförmigen Zylinders heraus, zu starten.
-
Folgende
weitere Vorteile ergeben sich für dieses Motorkonzept unter
anderem dadurch:
- – dass in einer relativ
kompakten Bauweise ein großer Kurbelradius, ein hohes Drehmoment
bei gleichzeitig niedriger Drehzahl und hoher Arbeitstaktfolge möglich
wird,
- – dass durch die geringe Anzahl der zusammenwirkenden
Motorteile mit geringen Reibungsverlusten und dadurch mit einem
erhöhten mechanische Wirkungsgrad zu rechnen ist,
- – dass durch große Ein- und Auslasskanäle,
die über den ganzen Expansionsweg beim At geöffnet
bleiben und durch die Abdichtfunktion der Kolben auf beiden Seiten
abgedeckt werden, der volumetrischen Wirkungsgrad (Gütegrad)
erhöht werden kann, und
- – dass mit einem konstanten Kurbelradius innerhalb
des 180° Motorzylinder-Segmentes die Verdichtung, das Hubvolumen,
das Hubverhältnis und damit ein Langhub- oder Kurzhubmotor
gestaltet werden kann und dabei auch die Anzahl der Arbeitstakte
pro Arbeitswellenumdrehung sich ändern lässt.
-
Die
erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass
- – die Summe der Winkelgrade von
einem Kolbenpaar mit Zapfen und Kolbenhub immer 180°Kw
beträgt,
- – ein Kolben sich nach jeder Drehung eines Kolbenpaares
von 135°/120°/108°Kw genau in der Position
des OT zwischen der Abgas- und Ansaugöffnung befindet und
die Zündkerzen zwischen zwei Kolben im UT angeordnet sind,
- – jedes Kolbenpaar und die Arbeitswelle 58 mit
Schwungrad durch Kreissegmente sensorgesteuert wechselseitig direkt
mit einem Startern über 135°/120°/108°Kw
angetrieben werden kann,
- – durch ein neues Dichtelementkonzept, bei der die
Kolbenpaare eine sich 90° kreuzende geschlossene Dichtgrenze
zu den beiden Kolbenscheiben und zur Gehäusewand aufweisen,
keine Ventile und Ventilsteuerung erforderlich sind,
- – beim At das Kp a, b sich im OT/UT durch eine Rücklaufsperre
im jeweiligen Gehäuse abstützen und mit entgegengesetzter
Wirkung einer Rücklaufsperre die Arbeitswelle mitgedreht
werden kann,
- – zwischen zwei gebogene Kolben bei Berührung
der Kolbenpaare in der Arbeitsposition, durch zwei im Durchmesser
und Länge variable Zapfen 48, ein definierter
Ansaug- und Verdichtungsraum Vc bzw. Brennraum zueinander freigehalten
wird,
- – in der Kammer 27 sich zwei Öffnungen 30 befinden,
die mittels einer Druckluftleitung 32 verbunden sind und
dass diese Druckluftleitung ein elektrisch regelbares Ventil 52 aufweist,
das den Druck in der Verdichtungs- und Ansaugkammer ausgleichen
kann, wenn sich ein Kolben zwischen den beiden Öffnungen
befindet,
- – dieses Ventil mit Hilfe eines Drehpotentiometers
am Gaspedal oder anderen Stellorganen elektrisch geregelt und damit
die Motorleistung über die veränderliche Verdichtung
zusätzlich beeinflusst werden kann,
- – sich in der Kammer 28 eine weitere Öffnung 31 befindet,
die mit einem Rückschlagventil 54 verschlossen ist
und bei Unterdruck (z. B. beim Startvorgang) diese Kammer öffnet,
- – mit dem Drehzahlsensor 87 ein Motormanagement
ermöglicht wird, dass den Leistungsbedarf, Verbrauch und
CO2-Ausstoß über eine
Lambdasonde optimal einstellen kann,
- – eine einfache Motor Start-Stoppfunktion (nicht nur
für Hybridantriebe) zur Einsparung des Kraftstoffverbrauchs
vorteilhafterweise dadurch möglich wird, dass bei stehenden
Kolbenpaaren die Arbeitswelle zusammen mit der im Schwungrad 88 gespeicherten
Energie sich frei weiterdrehen und der Motor unabhängig
von der drehenden Arbeitswelle 58 wieder gestartet werden
kann,
- – wesentlich kleinere Drehzahlen erforderlich sind,
weil ein im Vergleich zum Hubkolbenmotor bei diesem erfindungsgemäßen
Konzept mit einem rel. großen Kurbelradius R (Hebelarm)
ein hohes Drehmoment über 90°/60°/36°Kw
pro At an der Arbeitswelle bei kleinen Motorabmessungen erzeugt
wird,
- – für jedes Kolbenpaar eine Zündkerze 42 zur
Verfügung steht und deren Zündung vorzugsweise
mit einem zwei Nuten ausgestatteten Hallrad, einem Hallsensor und
einer Einzelfunkenspule erfolgt und dass die Verstellung des Zündzeitpunktes über
eine Unterdruckdose für beide Zündkerzen gleichzeitig
erfolgen kann,
- – zusätzlich im Zylinder des ringförmigen
Gehäuses 17, 18 bzw. 19 im UT-Bereich
(Kammer 28) eine Kraftstoff-Einspritzdüse 43 eingesetzt
werden kann, um damit einen Motor mit direkter Einspritzung zu realisieren,
wobei die Kolbenstirnflächen mit einer zusätzlichen
Brennraummulde ausgebildet sind, um eine optimale Kraftstoff-Luft-Gemisch
Verteilung zu erreichen,
- – eine Aufladung (Kompression) der Ansaugkammer 26 in
OT durch Nutzung der Abgasenergie ermöglicht werden kann,
- – die Motordaten z. B. Leistung, Drehmoment, Verdichtung,
spez. Verbrauch wie bei einem herkömmlichen Hubkolbenmotor
berechnet und somit konstruktiv das Motorkonzept für verschiedene
Motorklassen (Motorgröße) nach Leistungsstufen
ausgelegt werden kann. Maßgebend hierzu sind unter anderem
der Kolbendurchmesser d bzw. dg (gleichwertiger Durchmesser bei
rechtwinkligen Querschnitten aus b × h), Kurbelradius R,
Kurbelwinkel Kw, Hubraum Vh (Kolbenhub), Verdichtungsraum Vc und
das Hubverhältnis d:Vh bzw. dg:Vh (siehe 1.1 und 1.2),
- – das Motorkonzept eine Variabilität in der
geometrischen Auslegung des Kolbenwinkels und der Kolbenzapfen und
damit des Kolbenhubes bzw. Hubverhältnisses und des Verdichtungsraumes
bzw. der Verdichtung innerhalb des konstanten Kreissegmentes im
Zylinder des Motorgehäuses von 180°Kw ermöglicht,
- – die Arbeitstaktfolge und das Übersetzungsverhältnis
pro Umdrehung der Kp a, b zur Arbeitswelle 58 verändert
und das Hubverhältnis beeinflussen werden kann. (z. B.
ein At auf 120°Kw der Arbeitswelle und 60° Kolbenhub; Übersetzung
2,25:3).
- – die Ausführung des inneren Gehäuse-
und Kolbenquerschnittes in runder oder eckiger Form durch das neue
Dichtelementkonzept möglich wird,
- – mit einer kontinuierlichen in den Kolbenscheiben
eingebauten Öldruckumlaufschmierung gleichzeitig eine Kühl-
und Abdichtfunktion der Kolben zu den einzelnen Kammern und zum
Gehäuseinnenraum erfolgt.
-
4. Ausführungsbeispiel
-
Die
Erfindung ist im Aufbau und der Arbeitsweise anhand eines in den
Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels mit dem
Kolben- und Zapfenwinkel von gesamt 45°Kw und einem Kolbenhub
von 90°Kw im Folgenden näher beschrieben.
-
Es
zeigen:
-
1.1 eine schematische Seitenansicht vom Innenraum
des Motors mit der wiederkehrenden Arbeitsposition der Kolbenpaare
und der Aufteilung des Ringraumes in vier Kammern,
-
1.2 einen Teilquerschnitt durch das ringförmige
Gehäuse mit den beiden Kolbenscheiben, den Kolben und deren
Lagerung im Gehäuse,
-
2.1 einen Gesamtquerschnitt durch die am Motorprinzip
beteiligten Komponenten, mit dem Schmierölverlauf an einem
Kolbenpaar,
-
2.2 einen Teilschnitt durch die Zahnrad- bzw.
Steuerscheibe mit Zahnkranz und Dämpferscheibe sowie die
Ansicht der Vorrichtung zur Verriegelung und Positionierung der
Kolben im OT und UT,
-
2.3, 2.4 zeigt
die Seitenansichten der Zahnrad- bzw. Steuerscheibe zur Steuerung
der Startermotoren und der Verriegelung mit je zwei 180°Kw
gegenüberliegenden Kreissegmenten und die Position der Sensoren
im OT,
-
3.1–3.10 die
Darstellung des Arbeitsprinzips mit Sensorsteuerung über
Kreissegmente, Positionsrad und Hallsensor, bei einer Umdrehung
beider Kolbenpaare, am Beispiel eines Saugmotors,
-
3.11 ein Weg-Zeit-Diagramm (s/t-Diagramm) der
beiden Kolbenpaare zur Verdeutlichung der abwechselnd gleichgerichteten
Drehbewegung und der Übersetzung von 2:3 zur Arbeitswelle,
-
3.12 ein Arbeitsdiagramm (p/v-Diagramm) der kolbenpaargesteuerten
Rotationskolben-Brennkraftmaschine als Saugmotor in Zusammenwirkung
der in den einzelnen Kammern entstehenden Druckverlaufes über
dem Hubvolumen (Kammervolumen),
-
4 einen
Stromlaufplan, der die Motorsteuerung mit der Zündung,
dem Hallsensor und Hallrad, der Verriegelungsvorrichtung mit Hubmagnete,
sowie der Startermotoren über Kreissegmente durch Sensoren und
einem Zündstartschalter aufzeigt,
-
5.1–5.7 das
Dichtungskonzept der einzelnen Kolben- und Kolbenscheiben mit Kolbenringsegmente
und weiteren Dichtelementen für zwei alternative Kolben-
bzw. Zylinderquerschnitte,
-
6 isometrische
Ansicht, der in den Kolbenscheiben integrierten Ölpumpenfunktion
mit Pumpenscheiben,
-
6.1–6.6 Schnitte
und Unteransicht am Kolben mit den Bohrungen zur Schmierung und
Kühlung derselben und der als Rückschlagventil
eingesetzten Abdeckplatte,
-
7 isometrische
Ansicht, des Kühlmittelverlaufes in den Gehäuseteilen
mit den Ölbohrungen, die in den Gehäuserippen
integriert sind,
-
8.1, 8.2 Gesamtaußenansicht
der kolbenpaargesteuerten Rotationskolben-Brennkraftmaschine von
links und rechts.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform 1.1 und 1.2 beinhaltet der Motor je zwei 180°Kw gegenüberstehende
Kolbenpaare mit den Kolben 1, 2 (Kp a) und 3, 4 (Kp
b), die auswechselbar auf je einer kreisrunden Kolbenscheibe 5, 6 sich
automatisch axial im gleichen Abstand zur Innenwand des Gehäuses 17, 18 positionieren
können. Das wird durch die gleitende Verbindung der Kolbenstange 8 im
Kolbenbolzen 7 und einer genauen vertikalen spielfreien
Einstellbarkeit, mittels zweier Gewindestifte 12 in der
Gewindebohrung 11, mit kugelförmig und exzentrisch
versetztem Schraubenende, welches in einem Kulissenstein 9 eingreift 5.1–5.3 möglich.
Durch zylindrische Federn 209, die auf eine Öl-Abstreifplatte 208, 213 seitlich
wirken, wird der gleichmäßige Abstand eingehalten.
Der Überhang der Kolben zur benachbarten Kolbenscheibe hat
für die reibungsfreie Drehbewegung einen geringen radialen
Spalt 164
5.6 und jeder Kolben kann sich zur Übertragung
des Drehmomentes auf breiter Basis zur Stirnfläche der
jeweiligen Kolbenscheibe abstützen.
-
In
einer Kolbenvariante hat jeder der vier Kolben einen rechtwinkligen
und in einer weiteren Variante einen kreisbogenförmigen
Querschnitt, der im unteren Bereich in einem Sockel 10 endet 5.6. Diese Querschnitte werden zu vier gebogenen
Kolben 1–4 mit Zapfen 48 an
den Stirnflächen ausgestaltet. Diese Kolben übernehmen
gleichzeitig eine Ventil- und Abdichtfunktion zu dem aus mehreren
Teilen bestehenden geschlossenen Gehäuse 17, 18, 19,
zu den vier Kammern 26–29 und zu den
Kolbenscheiben. Die Ansaug- 35 und Abgasöffnung 36 ist
am Umfang 1.1 des Gehäuses so
angeordnet, dass eine Ventilsteuerung zur Abdichtung der Öffnungen
bei den wiederkehrenden Drehbewegungen der Kolbenpaare in der Arbeitsposition
des OT/UT entfällt. Das Gehäuse 17 und 18 hat
im UT eine Gewindebohrung 40, 41 zur Aufnahme
je einer Zündkerze 42.
-
Zwei
Kolbenscheiben, die am äußeren Durchmesser der
Nabe 14 jeweils links und rechts im Gehäuse 17, 18 mittels
Kugellager 15, 16 gelagert sind, bilden stirnseitig
eine klauenförmige Verzahnung 66, 67 aus. Zwischen
den beiden Kugellagern und der jeweiligen Kolbenscheibe sind im
Gehäuse je eine Rücklaufsperre (Freilauf) 21, 22 die
mit der Nabe 14 durch eine Passfeder 25 verbunden
ist, so angeordnet, dass sich abwechselnd eine Kolbenscheiben mit
einem Kp a bzw. b zentrisch zur Arbeitswelle 58 in nur
einer Richtung drehen können.
-
Das
zweite Kolbenpaar wird zusammen mit der Arbeitswelle 58 durch
eine entgegengesetzt wirkende Rücklaufsperre 75, 76 abwechselnd
so weitergedreht, dass während einer gewählten
Drehung von 90°/60°/38°Kw alle vier bekannten
Arbeitsspiele (ansaugen – Kammer 26, verdichten – Kammer 27,
zünden – Kammer 28 und ausstoßen – Kammer 29)
eines Hubkolbenmotors, umgesetzt werden können.
-
Mit Änderung
von Durchmesser und Länge der Zapfen 48 und Kolben 1–4 (Kolbenwinkel),
wird auch bei gleichem Kurbelradius R die Verdichtung, das Hubverhältnis
und das Kammervolumen in allen 4 Kammern beeinflusst. Die Summe
der Winkelgrade von je zwei Kolben mit den Zapfen 48 zusammen
mit dem Expansions- 29 bzw. Verdichtungsraum 27 beträgt
dabei immer 180°Kw.
-
Die
Arbeitswelle 58 wird durch Gleitlagern 61 in der
Nabenbohrung der Kolbenscheibe gelagert 2.1.
Auf dieser Welle wird jeweils links und rechts mit der klauenförmigen
Verzahnung 66, 67 eine innere Kupplungsscheibe 69, 70 mit
den Kolbenscheiben 5, und 6, axial gekoppelt.
Die innere Kupplungsscheibe ist mit den Kugellagern 72, 73 und 77, 78 auf
der äußeren Kupplungsscheibe gelagert. Zwischen
den Kugellagern wird konzentrisch eine Rücklaufsperre 75, 76 so
angeordnet, dass die innere- 69, 70 über
die äußere Kupplungsscheibe (80), (81)
mit der Passfeder 82, die Arbeitswelle in Kolbendrehrichtung
mitdreht.
-
In
der weiteren Ausgestaltung wird an den inneren Kupplungsscheiben 69, 70 je
eine Zahnrad- bzw. Steuerscheibe 83, 84 mit einem
Zahnkranz 85, 86 für den Antrieb der
Kolbenpaare beim Startvorgang des Motors mittels elektrischem Starter 139, 140, 4 angebracht.
An einem Ende der Arbeitswelle befindet sich auf der äußeren
Kupplungsscheibe 81 ein Schwungrad 88, in dem
das Drehmoment des Motors gespeichert wird und das in Verbindung
zu einer mechanischen oder automatischen Fahrzeugkupplung stehen
kann. Am gegenüberliegenden Ende der Arbeitswelle ist eine Öldrehdurchführung 89 vorgesehen,
die auch einen Sensor 87 zur Drehzahlerfassung der Arbeitswelle
aufnehmen kann. Außerdem ist auf dieser Seite die Montage
einer Keilriemenscheibe 92 auf der äußeren
Kupplungsscheibe 80 zum Antrieb der erforderlichen Anbauaggregate z.
B. Wasserpumpe, Lichtmaschine, Kältekompressor usw. vorgesehen.
-
Die
Arbeitswelle wird durch zwei gewellte Federscheiben bzw. Tellerfedern 90 mittels
zweier Muttern 91 (oder auch mit anderen geeigneten Befestigungselementen)
zum Gehäuse in der Weise fixiert und zentriert, dass sich
die äußere Kupplungsscheibe 80, 81 zur
inneren Kupplungsscheibe 69, 70 jeweils über
die Kugellager 77, 78, 72, 73,
und 15, 16 axial am linken und rechten Gehäuse 17, 18 abstützen
kann. Dadurch wird ein Längenausgleich bei den vorhandenen
Temperaturänderungen und Toleranzausgleich der einzelnen
Bauteile gewährleistet.
-
Der
Startvorgang wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht,
dass sensorgesteuerte abwechselnd ein Kolbenpaar das andere, über
Kreissegmente, zwei Verriegelungen aktiviert, die 180° gegenüberstehend
an den Außenseiten 2.2–2.4 der Gehäuseabdeckungen 95, 96 befestigt
sind. Jede Verriegelung besteht aus einem durch Hubmagnete 98, 99 betätigte
Bolzen 97 der in einer stabilen Bolzenführung 100, 101 geführt wird.
Diese Bolzen blockieren durch Anschläge 105, 106 zusammen
mit der Zahnrad- bzw. Steuerscheibe und der inneren Kupplungsscheibe 69, 70 abwechselnd
ein Kolbenpaar in der Arbeitsposition des OT/UT. Diese Anschläge
sind über zwei Dämpferfedern 115, 116,
die an der Zahnrad- bzw. Steuerscheibe 83, 84 mit
der Dämpferscheibe 110, 111 eingreifen
verbunden, damit ein dynamisch, gedämpftes, wechselseitiges
Anhalten der Kolbenpaare beim Starten des Motors über den
Zahnkranz 85, 86 ermöglicht wird.
-
Für
jede Zahnrad- bzw. Steuerscheibe ist ein Starter 139, 140, 4,
der über eine Batterie 147 gespeist wird, vorgesehen,
der mittels Sensoren 118, 120 über den
Drehwinkel der äußeren Kreissegmente 122, 123 mit
wahlweise 135°/120°/72°Kw wechselseitig
zu- bzw. abgeschaltet wird 2.1–2.4. Die Hubmagnete werden gleichfalls mittels
Sensoren 125, 126 und über die inneren
Kreissegmente 128, 129, die sich auf der Innenseite
der Zahnrad- bzw. Steuerscheibe befinden, rechtzeitig vor Aktivierung
der Starter zugeschaltet und nach 100°/70°/46° wieder
abgeschaltet.
-
Zur
Steuerung des Zündzeitpunktes 2.1 ist
für jedes Kolbenpaar je ein Hallsensor 130, 131 vorgesehen,
der auf einer Trägerscheibe 132, 133 an
der Außenseite des Gehäuseabdeckung 95, 96 drehbar
angeordnet und über einen Stab 149 verbunden ist.
Damit ist es erfindungsgemäß durch die mit zwei
Nuten versehenen Hallräder 135, 136 auf
jeder Seite möglich, eine Unterdruck geregelte Zündung
mit einer Zündkerze und Einzelfunkenspule 144, 145 auf
jeder Seite des Gehäuses für Kp a, b bei einer
Zündung nach jeweils 135°/120°/108° Kurbelwinkelumdrehung
der Arbeitswelle darzustellen.
-
Die
kolbenpaargesteuerte elektronische Betriebsweise zum Starten und
zur Drehzahlregelung des Motors, zusammen mit der Position der Kp
a, b, der verbundenen Kreissegmente, den induktiven Sensoren und
des Hallrades zu den Hallsensoren, ist in der 3.1–3.10 dargestellt
und im Folgenden beschrieben:
-
Fig. 3.1
-
Aus
einer beliebiger Position im Gehäuse der Kp a, b zueinander,
werden diese vom Starter 139, 140 nach rechts
in die wiederkehrend Arbeitsposition des OT/UT gedreht.
-
Fig. 3.2
-
Das
nachfolgende Kp b wird vom Kp a über Kreissegmente sensorgesteuert
durch zwei Hubmagneten, die eine Verriegelung betätigen,
in OT/UT festgehalten.
-
Fig. 3.3
-
Starter
1 dreht Kp a um 90°Kw, erstes Ansaugen des frischen zündfähigen
Kraftstoff-Luft-Gemisches, Kp b in OT frei. Druckausgleich durch
regelbares Drosselventil 52 in Kammer 26, 27.
Das Rückschlagventil 54 gleicht den Unterdruck
in Kammer 28 aus.
-
Fig. 3.4
-
Starter
1 dreht beide Kp a, b direkt gegenüberstehend und an den
Zapfen maximal berührend um 45°Kw auf die neue
Arbeitsposition (gesamt 135°Kw), das Kp b wird im OT freigestellt,
das Kp a bleibt stehen.
-
Fig. 3.5
-
Starter
2 dreht Kp b um 90°Kw weiter, das Kp a wird festgehalten,
Ansaugen und erstes Verdichten des Kraftstoff-Luft-Gemisches mit
Druckausgleich. Das Rückschlagventil 54 gleicht
den Unterdruck in Kammer 28 aus.
-
Fig. 3.6
-
Starter
2 dreht Kp a, b um 45°Kw weiter auf die 135°Kw
der Arbeitsposition. Es erfolgt die erste Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
und der erste Arbeitstakt beginnt.
-
Fig. 3.7
-
Durch
die Expansionskraft bleibt Kp b stehen, das Arbeitsspiel Ansaugen,
Verdichten, Arbeiten und Ausschieben erfolgt durch die Drehung des
Kp a um 90°Kw gleichzeitig.
-
Fig. 3.8
-
Beide
Kolbenpaare drehen sich durch die Antriebskraft und dem Schwungmoment
des Kp a um 45°Kw bis zur Arbeitsposition weiter, der zweite
At erfolgt.
-
Fig. 3.9
-
Im
zweiten At wird das Kp b um 90°Kw gedreht, die kinetische
Energie überträgt sich auf das Kp a. Der Motor
läuft selbsttätig.
-
Fig. 3.10
-
Kp
a und b drehen um 45°Kw weiter und haben sich um eine volle
Umdrehung aus der Position der 3.2 weiterbewegt.
Die Arbeitsspiele wiederholen sich bis die Zündung abgeschaltet
oder mehr Kraftstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird.
-
Wenn
keine weitere Zündung nach Abschaltung des Motors erfolgt,
wird der Druck in Kammer 26, 27 durch das geregelte
Ventil 52 ausgeglichen und beide Kolbenpaare können
sich bis zum Stillstand ungehindert auf der Arbeitswelle weiterdrehen.
-
Fig. 3.11
-
Das
s/t-Diagramm zeigt das Zusammenspiel der intermittierend sich drehenden
und angehaltenen Kp a, b im Verhältnis von 2:3 zur Arbeitswelle
und die vier entstehenden At nach einer vollen Umdrehung beider Kolbenpaare.
-
Fig. 3.12
-
Im
p/v-Diagramm sind die in den einzelnen Kammern erfolgten Arbeitsspiele
Ansaugen, Verdichten, Arbeiten und Ausschieben mit dem Druckverlauf über
den Kw von 90° (Kammervolumen VH = Vh + Vc) zusammengefasst.
-
Alle
in den Kammern befindlichen Gase werden mit dem entsprechenden thermischen
Gaszustand (Überdruck, Unterdruck) beim Drehen über
einen Kw von 45° gespeichert, bis die Arbeitsposition wieder
erreicht wurde und das Arbeitsspiel von Neuem beginnt. Die Reihenfolge
der Kammern beginnt wieder von vorne (Kammer 29 wird zur
Kammer 26 usw.).
-
Für
die einwandfreie Funktion des erfindungsgemäßen
Motorkonzeptes sind folgende Teilkonzepte innerhalb des Motors von
hoher Bedeutung. Dazu zählen in vorteilhafter Ausführungsform:
- • das Dichtungskonzept an Kolben,
Kolbenscheiben und Gehäuse
- • das Schmierkonzept und
- • das Kühlkonzept des Motors
-
4.1 Das Dichtungskonzept des Motors
-
Um
bei der kolbenpaargesteuerten Rotationskolben-Brennkraftmaschine
eine Nutz- bzw. Arbeitsleistung wie bei den bekannten „Otto-
bzw. Diesel” Gasmotoren zu erlangen, ist eine absolute
Gasdichtheit zwischen den einzelnen Kolben, zur Kolbenscheibe und
zum Gehäuse und eine ausreichende Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches,
auch bei hohen Temperaturen, erforderlich.
-
Dies
wird erfindungsgemäß bei der rechtwinkligen Kolbenvariante 5.1–5.4 dadurch
erreicht, dass in den zwei äußeren Nuten 179 der
vier gebogenen Kolben, zwei rechtwinkelig gestaltete Dichtelemente 158, 159 zum
Gehäuse 17, 18 und durch überlappenden
Stoß 161 auch nach oben zum ringförmigen
Zylinder 19 hin, abdichten. Das Dichtelement 158, 159 ist
am unteren Ende durch Überlappung 165 so ausgestaltet, dass
eine dichtende Verbindung in der Kolbennut 182 mit den
trapezförmigen Dichtelementen 166, 167 zu
den einzelnen Kammern und zur 90° kreuzenden Kolbenscheibe
mit den Dichtringen 170, 171, 172 entsteht.
Zwei gewellte Federn 175 mit drei Bogen erzeugen, in einer
tieferen Nut im Kolben sich abstützend, erfindungsgemäß die
erforderliche Anpresskraft in alle Richtungen (siehe Pfeile a–h, 5.2 und 5.3).
In der mittleren Nut 177 des Kolbens werden zwei rechtwinklig
gestaltetes Ölabstreif-Schmierelement 160, die
zum ringförmigen Zylinder 19 hin überlappen 183,
eingesetzt. Diese Schmierelemente werden auch durch eine gewellte
Feder 175 mit drei Bogen, radial und unter 45° in
Richtung der Pfeile a–c gedrückt. Bei jedem Kolben
werden seitlich zwei ebene Öl-Abstreifplatten 213 durch
zwei zylindrische Federn 209 an die Gehäusewand
gedrückt (siehe Pfeile j, k), wodurch das überschüssige
Schmieröl in der Nut 188 über die Kolbenscheibe
durch die Bohrungen 168, 169 zurück zur
Arbeitswelle 58 und dann aus dem Gehäuse geleitet
wird.
-
Die
kreisbogenförmige Kolbenvariante 5.5–5.7 und 6.1, 6.6 wird erfindungsgemäß durch
einen Querschnitt, der nach unten einen Sockel 10 aufweist,
dargestellt. Die Kolbennut 162 wird horizontal in den Sockel
weitergeführt. Die horizontale Nut 163 im Sockel 6.3 dient, wie bei der rechtwinkligen Kolbenvariante,
zur Aufnahme weiterer, sich zur Kolbenscheibe 90° kreuzender
trapezförmiger Dichtelemente. Die überstehende
Seite bei beiden Kolbenvarianten hat zur benachbarten Kolbenscheibe
radial einen geringen Freigang 164, der etwa dem der Kolben
zum Gehäuse entspricht 5.6.
-
Durch
den Öldruck im Ölhauptstrom 199, des
in der Bohrung 197 in der Mitte des Kolbens zufließenden Öles,
werden gleichzeitig die Öl-Abstreifplatten 208,
der Ölabstreif-Schmierringsegmente 153 und die Ölabstreif-Schmierelement 160,
in ihrer Dichtfunktion zusätzlich unterstützt 6.5.
-
Mit
den Dichtelementen 166, 167
5.1–5.7 wird
das Dichtsystem auch am kreisbogenförmigen Kolben geschlossen.
Zwei äußere Dichtringe 170, 171 und
ein zwischen den Kolbenscheiben angeordneter Dichtring 172 mit
einem überlappenden 173 oder geraden Stoß 178 an
der Unterseite des Kolbens, dichten die Kammern zur 90° kreuzenden
Kolbenscheibe in Richtung zum Gehäusezentrum ab. Erfindungsgemäß werden
auch hier durch eine gewellte Feder 175 mit drei Bogen,
die Dichtelemente 166 mit Fase und 167 in Trapezform,
entgegen den Fliehkräften festgehalten und gleichzeitig
auf die Dichtringe 170–172 und Stirnflächen
der Kolbenscheibe gedrückt.
-
Die
Kompressionsringsegmente 150, 151 haben eine große Öffnungsweite,
damit sie sich mit den äußeren flachen Dichtelementen 166 überlappen 165 können,
um die Undichtheit, die durch Fertigungstoleranzen, durch thermische
Einflüsse oder hohen Gasdruck im Gehäuse entstehen
könnte, zu vermeiden. Der entstehende erhöhte
Gasdruck beim Verdichten und bei der Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches
unterstützt in allen Richtungen die Dichtwirkung in den
Kammern zu den Kolben und Kolbenscheiben der erfindungsgemäßen
Gestaltung des Dichtsystems. Der mittlere Dichtring 172 dessen
Flanken mit der Fase der beiden Kolbenscheiben übereinstimmen,
wird von einem Stift 180, der an einer Kolbenscheibe angebracht
ist, mitgedreht.
-
Mit
zylindrischen Federn 63
1.1, 2.1 in den Bohrungen 68, werden die Kolbenscheiben
mit den Dichtringen 170, 171 an die Innenwand
der Gehäuse 17, 18 und die Pumpenscheiben 215, 216 an
die Kolbenscheiben-Innenfläche gedrückt, um deren
Dichtfunktion bei thermischer Ausdehnung zu unterstützen.
-
4.2 Das Schmierkonzept des Motors
-
Bei
jedem Motor ist es erforderlich, für die sich bewegenden
mechanischen Teile, ein zuverlässiges Schmiersystem vorzusehen. 2.1
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine kontinuierliche Öl-Druckumlaufschmierung
gestaltet, die gleichzeitig auch eine Kühlfunktion der
Motorkolben und -lagerungen mit zusätzlicher Abdichtfunktion
der Kolben zueinander und zum Gehäuse übernimmt.
-
Um
einen Rückfluss, entgegen der auf das Öl wirkenden
Fliehkräfte, aus dem Gehäuse zu sichern und den Ölkreislauf
aufrecht zu erhalten, ist in vorteilhafterweise eine Ölpumpenfunktion 6 in
den Kolbenscheiben 5, 6 integriert.
-
Dies
wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass
- – auf einer Seite der Arbeitswelle
eine Öldrehdurchführung 89
2.1 vorgesehen ist, die mit zwei Wellendichtringen 185 abgedichtet
und mit zwei Kugellagern 187 auf der Arbeitswelle 58 gelagert
wird,
- – im Zentrum der Arbeitswelle eine Ölbohrung 190 vorgesehen
wird, die bis zu den Kolbenscheiben führt und dass in dieser
Bohrung ein Gewinde für die Aufnahme eines Rückschlagventils 192 (mit
Durchfluss in Einschraubrichtung) vorgesehen und die Arbeitswelle
stirnseitig dichtend verschlossen wird,
- – weitere Bohrungen 194, 195 radial 6 das
Pumpennutsegment 210, 211 tangierend neben der
Kolbenstange 8 aus den Kolbenscheiben 5, 6 herausgeführt
werden,
- – in jedem einzelnen Kolben 1, 2, 3, 4 diese
beiden Bohrungen 6.1–6.6 mit einer V-förmigen Nut 196 zu
einer zentralen, vertikalen Bohrung 197, die am oberen
Ende des Kolbens austritt, zusammengeführt werden,
- – unter dem Ölabstreif-Schmierringsegment 153 bzw.
Schmierelement 160 das Öl in der Nut 198 des
Kolbens auf einer Seite über zwei Bohrungen 201 zurück
zum Zentrum des Gehäuses fliesen kann und dabei die Gehäuseoberfläche
im Nebenstrom 200 geschmiert wird und das Öl im
Hauptstrom 199 des Ölabstreif- und Schmierringes
gleichzeitig eine zu den benachbarten Kolben abdichtende und kühlende
Funktion übernimmt,
- – sich an jedem Ende des Ölabstreif-Schmierringsegmentes 153 bzw.
Schmierelementes 160 eine in den Kolben eingefügte Öl-Abstreifplatte 208, 213 befindet,
die auf beiden Seiten der Gehäusewand jeweils das überschüssige Öl
im Kolben, durch den Druck der Federn 209 über
die V-förmige Nut 203 und die Bohrungen 201, 202 sowie
der Bohrung 168, 169
6 zurück
zur Arbeitswelle 58 und aus dem Gehäuse leitet,
- – die beiden Gehäuse 17, 18
2.1 je zwei Bohrungen 204, 205 zwischen
der Kugellagerung und der Rücklaufsperre aufweisen, die
es ermöglichen das Öl aus dem Gehäuse
herauszuführen, um den Kreislauf zu einem Ölkühler
zu schließen,
- – die beiden Kolbenscheiben 5, 6 radial
und axial mehrere Bohrungen 62 aufweisen, die eine Verbindung zu
den axialen Bohrungen 64, 65 der inneren Kupplungsscheiben 69, 70 für
die Schmierung der Lagerung zwischen der äußeren/inneren
Kupplungsscheiben ermöglichen,
- – mit all diesen Maßnahmen alle drehenden
Lagerteile mit Öl versorgt werden können.
-
Eine Ölpumpenfunktion 6 wird
erfindungsgemäß vorteilhafterweise dadurch erreicht,
dass
- – die beiden Kolbenscheiben 5, 6 wie
auch die Motorkolben relativ zur kontinuierlichen Drehung der Arbeitswelle
sich immer nach 90°/60°/36°Kw abwechselnd
einmal zu- bzw. auseinander drehen,
- – an den beiden Kolbenscheiben radiale Ölbohrungen 186 vorgesehen
sind, die in Verbindung zu den zwei Pumpennutsegmenten 210, 211 stehen,
- – zwischen den Kolbenscheiben zwei Pumpenringe 215, 216 vorgesehen
werden, die breiter sind als die kreisbogenförmigen Nuten
und über den Innendurchmesser in einer Vertiefung 217 der
Kolbenscheiben geführt werden, diese Pumpenringe mit jeweils
zwei Nocken 218, 219 ausgestattet sind, die genau
in den Pumpennutsegmenten 210, 211 an einer Seite
der Nut anliegen und die so lang sind, dass sie die beiden Ölbohrungen 212 nach
einer Drehung um 90°/60°/36°Kw am anderen
Ende der Nut abdecken können,
- – sich weiterhin an jedem Pumpenring mindestens zwei
Mitnehmerbolzen 221, 222 am äußeren
Durchmesser der Pumpenringe befinden, die sich übergreifend
vom rechten Pumpenring in eine Nut 220 der linken Kolbenscheibe
und umgekehrt einfügen und von dieser mitgedreht werden,
- – das in den Pumpennutsegmenten 210, 211 befindliche Öl
durch die relative Drehung der Pumpenringe und Nocken und durch
das sich schließende Rückschlagventil 192,
gleichzeitig in alle hierfür vorgesehenen Bohrungen der
Kolbenscheibe und der Motorkolben gepresst wird, durch die umgekehrte
relative Drehung der Pumpenringe und Nocken eine Saugwirkung entsteht
und der Rückfluss des Öles aus der zentralen Bohrung
des Motorkolbens beim Ansaugvorgang dadurch verhindert wird, dass
erfindungsgemäß unter jedem Kolben eine Abdichtplatte 224 so
dimensioniert und befestigt ist, dass sie einmal die Nut 196, 203
6.1, 6.3 im
Kolben und mittels zweier kreisbogenförmiger durch Ausklinkung 227 entstehende,
bewegliche Laschen 225, 226 beide Bohrungen 194, 195 neben
der Kolbenstange 8 abdecken kann,
- – die Förderleistung der Ölpumpe
durch die Tiefe, Breite und Radius der Pumpennutsegmenten 210, 211 an
die Erfordernisse angepasst werden kann.
-
Das
durch das Gehäuse fließende Öl 2.1 muss nach außen hin abgedichtet werden.
Die Abdichtung zwischen den beiden Gehäusen 17, 18 und
dem ringförmigen Zylinder 19 erfolgt durch zwei
flache oder runde Dichtringe 230, die auch gleichzeitig
die Abdichtung aller vier Kammern zueinander unterstützen.
Ein axialer wirkender flacher Dichtring 231 dichtet das
Gehäuse zur inneren Kupplungsscheibe ab. Die axiale Abdichtung
von der Kolbenscheibe 5, 6 zur äußeren
Kupplungsscheibe 69, 70 übernimmt ein
O-Ring 232. Die Dichtlippen der Kugellager 77, 78 übernehmen
die Funktion der Abdichtung der äußeren Kupplungsscheibe und
zwei O-Ringe 234, 235 zur Arbeitswelle.
-
4.3 Das Kühlkonzept des Motors
-
Die
beim Verbrennungsprozess entstehende Wärme wird bekannterweise
nur zu einem geringem Teil in Bewegungsenergie umgesetzt. Die überschüssige
Wärme muss über ein geeignetes Kühlsystem
nach außen abgeführt werden.
-
Dies
wird erfindungsgemäß 7 dadurch
erreicht, dass beide Gehäuse 17, 18 einen
Hohlraum 240 aufweisen, der durch die beiden Gehäuseabdeckung 95, 96 geschlossen
wird und auf jeder Seite der Gehäuseabdeckung je zwei O-Ringe 244, 245 den
Raum für ein durchfließendes Kühlmedium
abdichten und dass der ringförmige Zylinder 19 im
Inneren einen Hohlraum 242 aufweist, durch den das Kühlmedium
in gleicher Richtung fließen kann.
-
Auf
jeder Seite im Hohlraum des Gehäuses und im ringförmigen
Zylinder 19 ist eine als Gehäuserippe ausgeführte
Trennwand 243, 247 vorgesehen, die das abgekühlte
Kühlmittel gleichzeitig durch drei Einströmöffnungen 250, 251, 257 entgegen
der Kolbendrehrichtung zur größeren Wärmezone
an der Abgasseite führt. Die Ausströmöffnungen 252, 253, 258 befinden
sich nach einer vollständigen inneren Umspülung
des Gehäuses und Zylinders 19 auf der gegenüberliegenden
Seite zur Trennwand 243, 247, wo das erwärmte
Kühlmittel zum Wasserkühler und einem thermostatisch
geregelten Kühlkreislauf zugeführt wird.
-
Erfindungsgemäß dient
die Trennwand 247 und eine gegenüberliegende Rippe 248 gleichzeitig
zur Aufnahme der erforderlichen Ölbohrungen 204, 205.
-
Durch
die vorteilhafte Gestaltung der im Querschnitt kreisbogenförmig
oder rechtwinklig gestalteten Gehäusewand 255 mit
einer möglichst geringen Wandstärke, wird eine
effiziente Kühlung aller vier Kammern erreicht.
-
Jeder
einzelne Kolben wird in vorteilhafterweise zusätzlich zur Ölkühlung
durch die Umspülung der Vorder- und Rückseite
mit frischem Kraftstoff-Luft-Gemisch nach jeder vollen Umdrehung
gekühlt.
-
Das
gesamte Motorkonzept in der Außenansicht
50,
60 zeigen
die
8.1 und
8.2.
In der gewählten Einbaulage kann z. B. die erfindungsgemäße
kolbenpaargesteuerte Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit je zwei
sich gegenüber am Gehäuse angebrachten Konsolen
260 gelagert
werden, um das entstehende Motordrehmoment abzustützen.
Der Stutzen
262 in horizontaler Lage am Gehäuse
17 ist
die Verbindung zu einem Vergaser des Motors. Der nach unten führende
Stutzen
265 am Gehäuse
18 ist für
den Anschluss eines Schalldämpfers vorgesehen. Bezugszeichenliste:
| Ziffer | Bezeichnung | Ziffer | Bezeichnung | Ziffer | Bezeichnung |
| 1 | Kolben | 47 | | 93 | |
| 2 | 48 | Zapfen | 94 | |
| 3 | 49 | | 95 | Gehäuseabdeckung
li |
| 4 | 50 | Außenansicht
links | 96 | Gehäuseabdeckung
re |
| 5 | Kolbenscheibe | 51 | | 97 | Bolzen |
| 6 | 52 | regelbares
Ventil | 98 | Hubmagnet |
| 7 | Kolbenbolzen | 53 | | 99 |
| 8 | Kolbenstange | 54 | Rückschlagventil | 100 | Bolzenführung |
| 9 | Kulissenstein | 55 | | 101 |
| 10 | Sockel | 56 | | 102 | |
| 11 | Gewindebohrung | 57 | | 103 | |
| 12 | Gewindestift | 58 | Arbeitswelle | 104 | |
| 13 | | 59 | | 105 | Anschlag |
| 14 | Nabe | 60 | Außenansicht
rechts | 106 |
| 15 | Kugellager | 61 | Gleitlager | 107 | |
| 16 | 62 | Bohrung | 108 | |
| 17 | Gehäuse
li | 63 | zyl.
Feder | 109 | |
| 18 | Gehäuse
re | 64 | axiale Bohrung | 110 | Dämpferscheibe |
| 19 | Zylinder | 65 | 111 |
| 20 | | 66 | Klauenkupplung | 112 | |
| 21 | Rücklaufsperre, Freilauf | 67 | 113 | |
| 22 | 68 | Bohrung | 114 | |
| 23 | | 69 | innere Kupplungsscheibe | 115 | Dämpferfeder |
| 24 | | 70 | 116 |
| 25 | Paßfeder | 71 | | 117 | |
| 26 | Ansaugkammer | 72 | Kugellager | 118 | Sensor |
| 27 | Kompressionskammer | 73 | 119 | |
| 28 | Arbeitskammer | 74 | | 120 | Sensor |
| 29 | Expansionskammer | 75 | Rücklaufsperre, Freilauf | 121 | |
| 30 | Öffnung | 76 | 122 | Kreissegment |
| 31 | 77 | Kugellager | 123 |
| 32 | Druckluftleitung | 78 | 124 | |
| 33 | | 79 | | 125 | Sensor |
| 34 | | 80 | äußere Kupplungsscheibe | 126 |
| 35 | Ansaugöffnung | 81 | 127 | |
| 36 | Abgasöffnung | 82 | Paßfeder | 128 | Kreissegment |
| 37 | | 83 | Steuerscheibe | 129 |
| 38 | | 84 | 130 | Hallsensor |
| 39 | | 85 | Zahnkranz | 131 |
| 40 | Gewindebohrung | 86 | 132 | Trägerscheibe |
| 41 | 87 | Sensor | 133 |
| 42 | Zündkerzen | 88 | Schwungrad | 134 | |
| 43 | Kraftstoff-Einspritzdüse | 89 | Öl-Drehdurchführung | 135 | Hallrad, Positionsrad |
| 44 | | 90 | Tellerfedern,
Federscheibe | 136 |
| 45 | | 91 | Mutter | 137 | |
| 46 | | 92 | Keilriemenscheibe | 138 | Zündschalter |
| 139 | Starter | 191 | | 243 | Trennwand,
Rippe |
| 140 | 192 | Rückschlagventil | 244 | O-Ring |
| 141 | | 193 | | 245 |
| 142 | | 194 | Bohrung | 246 | |
| 143 | | 195 | 247 | Trennwand, Rippe |
| 144 | Einzelfunkenspule, Zündspule | 196 | V-förmige
Nut | 248 |
| 145 | 197 | vertikale
Bohrung | 249 | |
| 146 | | 198 | mittlere
Nut | 250 | Einströmöffnung |
| 147 | Batterie | 199 | Öl-Hauptstrom | 251 |
| 148 | | 200 | Öl-Nebenstrom | 252 | Ausströmöffnung |
| 149 | Stab | 201 | Bohrung | 253 |
| 150 | Kompressionsringsegment | 202 | 254 | |
| 151 | 203 | V-förmige
Nut | 255 | Gehäusewand |
| 152 | | 204 | Bohrung | 256 | |
| 153 | Ölabstreif-Schmierringsegm. | 205 | 257 | Ausströmöffnung |
| 154 | | 206 | | 258 |
| 155 | Anlaufscheibe | 207 | | 259 | |
| 156 | | 208 | Öl-Abstreifplatte | 260 | Konsole |
| 157 | | 209 | Zylindrische
Feder | 261 | |
| 158 | Dichtelement | 210 | Pumpennutsegment | 262 | Abgas-Stutzen |
| 159 | 211 | 263 | |
| 160 | Ölabstreif-Schmierringsegm. | 212 | Ölbohrung | 264 | |
| 161 | Überlappung | 213 | Öl-Abstreifplatte | 265 | Frischgas-Stuzen |
| 162 | äußere
Nut | 214 | | 266 | |
| 163 | horizontale,
tiefere Nut | 215 | Pumpenring | 267 | |
| 164 | Freigang
radial | 216 | 268 | |
| 165 | Überlappung | 217 | Vertiefung | 269 | |
| 166 | Dichtelement mit Fase Dichtelement, Trapezform | 218 | Nocken | 270 | |
| 167 | 219 | | |
| 168 | Bohrung | 220 | Nut | Abkürzungen |
| 169 | 221 | Mitnehmer-Bolzen | | |
| 170 | Dichtring | 222 | At | Arbeitstakte |
| 171 | 223 | | Aw | Arbeitswelle |
| 172 | 224 | Abdichtplatte | a–h | Richtungen |
| 173 | überlappter
Stoß | 225 | Laschen | b | Kolbenbreite |
| 174 | | 226 | d | Kolbendurchmesser |
| 175 | gewelllte
Feder | 227 | Ausklinkung | dg | gleichwertiger
Durchmesser |
| 176 | | 228 | | d:Vh | Hubverhältnis |
| 177 | mittlere
Nut | 229 | | dg:Vh | gleichwertiges
Hubverhältnis |
| 178 | gerader
Stoß | 230 | Dichtring | h | Kolbenhöhe |
| 179 | äußere
Nut | 231 | axialer
Dichtring | j,
k | Richtungen |
| 180 | Stift | 232 | | n | Drehzahl |
| 181 | 233 | | na | At
pro Umdrehung |
| 182 | horizontale,
tiefere Nut | 234 | O-Ringe | Kp
a | Kolbenpaar
a |
| 183 | Überlappung | 235 | Kp
b | Kolbenpaar
b |
| 184 | | 236 | | Kw | Kurbelwinkel |
| 185 | Wellendichtring | 237 | | OT | oberer
Totpunkt |
| 186 | radiale Ölbohrung | 238 | | R | Kurbelradius |
| 187 | | 239 | | UT | untere
Totpunkt |
| 188 | Nut
im Schmierelement | 240 | Hohlraum | Vc | Verdichtungsraum |
| 189 | | 241 | | Vh | Hubraum |
| 190 | Ölbohrung | 242 | Hohlraum | VH | Kammervolumen |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 582181 [0004]
- - DE 1426022 A [0005]
- - DE 1965865 A [0006]
- - DE 2353807 A1 [0007]
- - DE 3046725 A1 [0008]
- - DE 3038500 A1 [0009]
- - DE 3330125 A1 [0010]
- - US 5222463 [0011]
