DE19628867A1 - Rotationsläufer-Motor - Google Patents
Rotationsläufer-MotorInfo
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/22—Rotary-piston machines or engines of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth- equivalents than the outer member
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
Bei gewöhnlichen Hubkolben-Motoren, z. B. Diesel- oder Otto-
Motoren, muß die Translationsbewegung der Kolben in eine
Rotationsbewegung einer Kurbelwelle umgesetzt werden. Als
Nachteile ergeben sich u. a. große Massenkräfte und -momen
te, eine großvolumige Bauweise, ein hohes Leistungsgewicht
und eine große Anzahl benötigter Teile.
Einige dieser Nachteile können mit dem bekannten Wankel-
Motor vermieden werden. Dieser ist ein Viertakt-Kreiskol
ben-Motor, bei dem ein dreieckförmiger - auch Läufer ge
nannter - Kolben in einem ovalen, in der Mitte leicht ein
geschnürten epitrochoiden Gehäuseraum auf einer Kreisbahn
um sich selbst drehend umläuft. Der Kolben bildet mit der
Wand des Gehäuseraums drei Arbeitsräume, deren Rauminhalte
sich periodisch verändern.
Obwohl der Wankelmotor einige hervorragende Eigenschaften,
wie vollkommenen Massenausgleich, günstigen Drehkraftver
lauf und kompakte Bauweise aufweist, konnte er sich bis
jetzt in der Praxis kaum durchsetzen. Einer der Hauptgründe
dafür ist ein relativ hoher Verschleiß und eine daher rüh
rende relativ geringe Lebensdauer. Im Verlauf der Verbren
nung in einem Arbeitsraum drückt der Kolben nämlich jeweils
mit seiner dem Arbeitsraum abgewandten Ecke mit großer
Kraft gegen die Gehäusewand. Diese hohe Belastung der Kol
bendichtungen und der Gehäusewand bedingt den frühzeitigen
Verschleiß. Des weiteren stellt der Wankelmotor aufgrund
der epitrochoiden Form des Gehäuses hohe fertigungstechni
sche Anforderungen und ist insgesamt relativ aufwendig.
Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, diese Nachteile zu
überwinden.
Sie erreicht dies mit einem Rotationsläufer-Motor mit
- - wenigstens einem Gehäuseraum nicht-kreisrunder Quer schnittsform,
- - wenigstens einem darin angeordneten Rotationsläufer, der mit einer Antriebswelle des Motors drehfest, aber in Querrichtung verschiebbar gekoppelt ist, so daß er eine kombinierte Rotations- und Translationsbewegung ausführt,
- - wobei die nicht kreisrunde Querschnittsform des Gehäu seraums so gewählt ist, daß der Rotationsläufer bei seiner Rotations-Translations-Bewegung den überstri chenen Gehäuseraum in zwei Arbeitsräume mit sich ver größernden und verkleinernden Volumina unterteilt (Anspruch 1).
Der (auch als Rotationskolben bezeichnete) Rotationsläufer
weist vorteilhaft eine längliche Form auf und insbesondere
eine im wesentlichen konkave Form auf, die vorzugsweise
symmetrisch zur Translationsachse des Läufers ist. Bei
spielsweise ergibt sich die Form durch Zusammensetzen von
zwei im Querschnitt im wesentlichen kreissegment- oder
ellipsensegmentförmigen Stücken längs der Translationsach
se. Der Läufer kann beispielsweise auch die Form zweier in
Richtung der Translationsachse auseinandergezogener Halb
kreise mit dazwischenliegenden geraden Geradenabschnitten
haben. Vorzugsweise befinden sich an den beiden Enden und
den Seitenflächen des Rotationsläufers Dichtelemente, z. B.
jeweils eine oder mehrere Dichtlippen. An den Läuferenden
können auch z. B. feststehende oder drehbare Dichtwalzen
vorgesehen sein. Der Rotationsläufer unterteilt bei seiner
Rotations-Translations-Bewegung den nicht kreisrunden Ge
häuseraum stets in zwei gegeneinander abgedichtete Arbeits
räume. Aufgrund der nicht-kreisrunden Querschnittsform des
Gehäuseraums und einer ggf. asymmetrischen Lage des Dreh
punkts der Antriebswelle vergrößern und verkleinern sich
deren Volumina periodisch. Vorzugsweise liegt der Drehpunkt
auf der Verbindungsgeraden der beiden Enden des Läufers,
die dann die Translationsachse ist. Ein derartig ausgebil
deter Läufer wird im folgenden als gestreckter Läufer be
zeichnet.
Der Rotationsläufer-Motor kann vorteilhaft nach dem Vier
takt-Verfahren arbeiten. Im 1. Takt nutzt man dabei die im
Verlauf der Rotations-Translations-Bewegung auftretende
Volumenvergrößerung eines Arbeitsraums zum Ansaugen von
Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft aus. Im weiteren Verlauf
der Bewegung verringert sich das Volumen des Arbeitsraums
wieder, wodurch das Kraftstoff-Luftgemisch bzw. die Luft
verdichtet und - ggf. nach Kraftstoffeinspritzung - an
schließend gezündet wird (2. Takt). Grundsätzlich kann es
sich hierbei auch um eine Selbstzündung, z. B. durch eine
ausreichend hohe Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemisches
(bzw. der Luft mit eingespritztem Kraftstoff) handeln. Der
Druck der Verbrennungsgase wirkt auf den Läufer, der da
durch die Antriebswelle mit einem Drehmoment beaufschlagt
und im Rahmen der weiteren Bewegung, die nun wieder den
Arbeitsraum vergrößert, Arbeit verrichtet (3. Takt). Im
Verlauf der weiteren Rotations-Translations-Bewegung, ver
ringert sich das Arbeitsvolumen wieder, was zum Ausschieben
der Verbrennungsgase genutzt wird (4. Takt). Die Antriebs
welle dreht sich dabei vorteilhaft um insgesamt 720°. Jeder
der beiden Arbeitsräume eines Gehäuseraums kann eine eigene
Taktfolge der oben genannten Art unabhängig vom jeweils
anderen Arbeitsraum durchlaufen, wobei der erste Arbeits
raum gegenüber dem zweiten vorzugsweise einen Takt, also
1800 vorausläuft (der zweite Arbeitsraum läuft dann dem
ersten drei Takte, also 540° voraus).
Der nicht-kreisrunde Gehäuseraum ist in seiner Form nicht -
wie etwa derjenige des Wankelmotors mit seiner Trochoidform
- a priori festgelegt. Die Gehäuseraumform kann vielmehr
von Ausführungsform zu Ausführungsform unterschiedlich
sein. Entsprechendes gilt für die Lage des Antriebswellen
drehpunkts im Gehäuse.
Bei Vorgabe einer bestimmten Länge des Läufers und einer
bestimmten Lage des Drehpunkts kann nämlich ein erster Teil
der Konturlinie des Gehäuseraumquerschnitts frei gewählt
werden, vorausgesetzt, daß folgende Randbedingungen erfüllt
sind:
- - Anfangs- und Endpunkt des 1. Teils der Konturlinie fallen mit den beiden Enden des Läufers in einer be liebigen Läuferstellung zusammen;
- - die Konturlinie ist stetig, und weist keine Sprünge auf;
- - alle Punkte des ersten Teils der Konturlinie sind von einem der beiden (dem sog. ersten) Läuferende bei einer Rotations-Translations-Bewegung des Läufers erreichbar (ohne daß es etwa zu einer Kreuzung oder Berührung eines anderen Punktes des ersten Teils der Konturlinie durch den Läufer kommt).
Bei einem gestreckten Läufer beträgt der Drehwinkel dieser
Bewegung 180°; der erste Teil der Konturlinie liegt also in
einer Halblinie auf einer Seite des Läufers in dessen An
fangsstellung. Beispiele für den ersten Teil der Konturli
nie sind eine halbe Kreislinie oder eine halbe Ellipsenli
nie.
Der übrige (zweite) Teil der Konturlinie, der den obigen
Endpunkt wieder mit dem Anfangspunkt verbindet, ist nicht
frei wählbar. Man erhält ihn als die Bahn des zweiten Läu
ferendes, wenn das erste Läuferende unter Ausführung der
Rotations-Translation-Bewegung des Läufers am ersten Teil
der Konturlinie entlanggeführt wird. In Ergänzung dieser
Konstruktionsvorschrift können selbstverständlich etwaige
Unstetigkeiten in der ersten Ableitung der Konturlinien,
d. h. Knicke, verrundet sein.
Der erfindungsgemäße Rotationsläufer-Motor hat folgende
Vorteile:
- - Er erleidet nur geringen Verschleiß;
- - hat daher eine relativ hohe Lebensdauer; und
- - seine Konstruktion und Herstellung ist relativ wenig aufwendig.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher
der erste Teil der Konturlinie halbkreisförmig ist und der
Drehpunkt der Antriebswelle außermittig auf dem Durchmesser
des Halbkreises liegt (Anspruch 2). Der zweite Teil der
Konturlinie ergibt sich - wie oben erläutert - aus der Bahn
des zweiten Läuferendes bei Führung des ersten Läuferendes
entlang des Halbkreises unter Ausführung einer Rotations-
Translations-Bewegung des Läufers. An den Verbindungsstel
len zwischen erster und zweiter Konturlinie ergibt sich im
allgemeinen jeweils eine geringfügige Unstetigkeit der
ersten Ableitung, die geeignet verrundet ist. Denkt man
sich den ersten Teil der Konturlinie zu einem Vollkreis
geschlossen, so liegt der zweite Teil der Konturlinie voll
ständig außerhalb dieses Kreises.
Ein Vorteil dieser Gehäuseraumform ist eine relativ ein
fache, wenig aufwendige und sehr genaue Herstellbarkeit des
Gehäuses. Und zwar kann in einem ersten Schritt mit einem
gewöhnlichen Bohrwerkzeug zunächst eine kreisförmige Gehäu
sebohrung ausgeführt werden, die im Querschnitt dem oben
erwähnten Vollkreis entspricht. Die Herstellung des zweiten
Teils der Konturlinie kann dann im wesentlichen einfach mit
einem Werkzeug erfolgen, welches die Rotations-Transla
tions-Bewegung des (späteren) Läufers nachbildet, und wie
dieser ein erstes und ein zweites Ende hat. Am zweiten Ende
ist ein Abtragwerkzeug, z. B. ein Fräser angeordnet. Durch
Ausführung der läuferähnlichen Rotations-Translations-Bewe
gung um den Drehpunkt und Führen des ersten Werkzeugendes
an der halbkreisförmigen ersten Konturlinie trägt das Ab
tragwerkzeug am zweiten Werkzeugende Material entsprechend
der gewünschten zweiten Konturlinie ab. Dabei kann das
Werkzeug von vornherein die Länge des Rotationsläufers
haben. Alternativ kann der Abtragvorgang mehrfach wieder
holt werden, wobei das Werkzeug, von kleineren Längen aus
gehend, schließlich die Länge des Rotationsläufers er
reicht. Man erhält so den gewünschten Arbeitsraum trotz
seiner nichtrunden Form auf einfache Weise und mit hoher
Genauigkeit.
Zur quer verschiebbaren, aber drehfesten Kopplung des Rota
tionsläufers an der Antriebswelle weist diese vorteilhaft
ein sich in Querrichtung erstreckendes Element auf, wobei
die Kopplung durch Führung des Rotationsläufers an dem
Element erreicht wird (Anspruch 3).
Dieses Element kann vorteilhaft als Querbohrung durch die
Antriebswelle ausgebildet sein, die eine mit dem Läufer
verbundene oder Teil des Läufers bildende Stange aufnimmt
(Anspruch 4). Da diese Stange im Verlauf der Rotations-
Translations-Bewegung Hin- und Herbewegungen relativ zur
Antriebswelle ausführt, wird sie im folgenden auch "Pleuel
stange" genannt. Die Achse der Bohrung verläuft senkrecht
zur Achse der Antriebswelle und definiert die Translations
richtung des Rotationsläufers.
Alternativ kann das Element ein nichtrunder Absatz (z. B.
eine Abflachung) der Antriebswelle oder ein nichtrunder
Ansatz an der Antriebswelle (z. B. ein drehfest mit der
Welle verbundenes Aufsatzteil) sein (Anspruch 5). Unter
einem "Absatz" wird i.a. ein Teil der Antriebswelle mit
verringertem Querschnitt verstanden, wohingegen ein "An
satz" i.a. den Wellenquerschnitt vergrößert. Gemeinsam ist
beiden, daß sie wenigstens eine oder, vorzugsweise wenig
stens zwei gerade Flächen ausweisen, die der unverdrehbaren
Führung des Rotationskolbens in der Translationsrichtung
dienen. Möglich sind auch kombinierte Formen aus Absatz und
Ansatz.
Zur Aufnahme der Antriebswelle ist vorteilhaft ein Hohlraum
im Rotationsläufer ausgebildet (Anspruch 6). Die ggf. vor
handene Pleuelstange kann so angeordnet sein, daß sie den
Hohlraum durchquert. Im Falle eines Absatzes oder Ansatzes
an der Antriebswelle können Innenflächen des Hohlraums so
ausgebildet sein, daß sie die Gegenstücke zu den Führungs
flächen am Absatz bzw. Ansatz bilden. Der Hohlraum ist i.a.
länglich; er hat in der Translationsrichtung eine größere
Erstreckung als quer dazu, um dem Läufer die Translations
bewegung zu erlauben. Die Erstreckung in Translationsrich
tung entspricht dem Wellendurchmesser in Translationsrich
tung zuzüglich des maximal möglichen Translationshubs.
Der Hohlraum des Rotationsläufers kann vorteilhaft der
Erzielung einer Pumpwirkung dienen. Hierzu wird er von der
Antriebswelle in zwei Kammern mit sich im Verlauf der Rota
tions-Translations-Bewegung des Läufers vergrößernden und
verkleinernden Volumina unterteilt (Anspruch 7). Die Kam
mern sind gegeneinander und gegenüber den Arbeitsräumen
abgedichtet, z. B. durch Gleitdichtungen. Zur Zu- und Ab
führung des Pumpfluids sind in die Kammern führende Öff
nungen vorgesehen. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
erstreckt sich der Hohlraum ein- oder beidseitig bis an die
seitliche Gehäuseraumwand. Er ist also ein- oder beidseitig
durch diese Wand begrenzt. Die Öffnungen für das Pumpfluid
können dann vorteilhaft in dem vom Hohlraum überstrichenen
Bereich der Gehäuseraumwand angeordnet sein.
Im allgemeinen ist eine Pumpfunktion gewünscht, bei der das
Pumpfluid wie ein Gleichstrom stets in eine Richtung geför
dert wird, und nicht, wie ein Wechselstrom hin und her
gepumpt wird. Hierzu müssen bestimmte Pumpfluidleitungen
nur bei sich vergrößernder Pumpkammer fluiddurchlässig sein
(sog. Saugleitungen), wohingegen andere Pumpfluidleitungen
nur bei sich verkleinernder Kammer durchlässig sein dürfen
(sog. Pumpleitungen). Man kann diese Ein-Richtungs-Funktion
der Leitungen beispielsweise durch Ein-Richtungs-Ventile in
den entsprechenden Leitungen erzielen, wobei diese Ventile
in unmittelbarer Nähe der Einlaß-/Auslaßöffnungen angeord
net sein können. Alternativ kann man die gewünschte Ein-
Richtungs-Funktion aber auch durch eine bestimmte Anordnung
der Einlaß-/Auslaßöffnungen in bestimmten Bereichen der von
den Pumpkammern überstrichenen Gehäuseraumwand erzielen.
Man nutzt hierbei aus, daß bestimmte Bereiche der Gehäuse
raumwand von den Pumpkammern nur im Verlauf einer Volumen
zunahme überstrichen werden, andere Bereiche hingegen nur
im Verlauf einer Volumenabnahme. Die im Verlauf der Volu
menzunahme überstrichenen Öffnungen bilden die Saugöffnun
gen, die im Verlauf der Volumenabnahme überstrichenen die
Drucköffnungen. Im Verlauf der Volumenabnahme bzw. -zunahme
werden die Saug- bzw. Drucköffnungen durch den Läufer über
deckt und so abgedichtet. Durch eine geeignete Anordnung
der Einlaß-/Auslaßöffnungen erzielt man also eine Gleich
strom-Pumpwirkung ohne Verwendung von Einrichtungs-Elemen
ten wie Ventilen.
Insgesamt gibt es also drei Arten von Öffnungen:
- - Öffnungen, die nur dann von einer Kammer überstrichen werden, wenn sich diese volumenmäßig vergrößert;
- - Öffnungen, die nur dann von einer Kammer überstrichen werden, wenn sich diese volumenmäßig verkleinern;
- - Öffnungen, die von einer Kammer überstrichen werden, während sich die Richtung deren Volumenänderung um kehrt (die sich volumenmäßig vergrößert und dann ver kleinert, oder umgekehrt).
Zur Erzielung eines Gleichstromes verbindet man vorteilhaft
die beiden erstgenannten Öffnungen zu einem Stromkreis.
Besonders vorteilhaft fungiert die so gebildete Pumpe als
Ölpumpe für den Rotationsläufer-Motor oder einen Teil da
von, z. B. einen einzelnen Zylinder (Anspruch 8). Das Öl
dient im allgemeinen der Schmierung des Motors. Die Pumpe
kann auch als Kühlmittelpumpe für den Motor oder einen Teil
hiervon dienen. Besonders vorteilhaft ist eine Ölkühlung,
bei der das gepumpte Öl sowohl der Schmierung als auch der
Kühlung des Motors oder eines Teils davon dient.
Der Arbeitsraum des Rotationsläufer-Motors weist vorteil
haft Einlaß- und Auslaßöffnungen für Kraftstoff-Luftge
misch, Luft- oder Verbrennungsgase auf (Anspruch 9). Das
Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßöffnungen kann
vorteilhaft mit Hilfe von Ventilen erfolgen (Anspruch 11).
Bei dem o.g. Beispiel eines Viertaktspiels ist im ersten
Takt die Einlaßöffnung geöffnet, um das Ansaugen von Kraft
stoff-Luftgemisch oder Luft zu erlauben. Im vierten Takt
ist die Auslaßöffnung geöffnet, um das Ausschieben der
Verbrennungsgase zu erlauben. Im zweiten und dritten Takt
(d. h. beim Komprimieren bzw. Expandieren) sind die Öffnun
gen geschlossen. Der zweite Arbeitsraum eines Zylinders
läuft dem ersten Arbeitsraum um einen Arbeitstakt versetzt
hinterher. Da beide Arbeitsräume im Verlauf der Läuferrota
tion die Einlaß und Auslaßöffnungen nacheinander über
streichen, kann jeweils eine einzige dieser Öffnungen beide
Arbeitsräume bedienen. Im Verlauf einer Drehung des Läufers
um 720° (entsprechend vier Arbeitstakten) müssen die Ein
laß und Auslaßöffnung in jeweils 2 Arbeitstakten (nämlich
zweimal im ersten Takt und zweimal im vierten Takt) geöff
net sein. Vorteilhaft kann dabei das Einlaßventil am Ende
des ersten Takts des Arbeitsraums geöffnet bleiben, um,
nachdem die Öffnung kurz von dem Läufer überstrichen wird,
das Ansaugen in den zweiten Arbeitsraum zu ermöglichen. Es
wird dann erst am Ende des ersten Arbeitstakts des zweiten
Arbeitsraums geschlossen. Entsprechendes gilt für das Aus
laßventil. Die Periode der Öffnungs- und Schließbewegung
beträgt dann 720°. Ein rotierendes Ventilsteuermittel (z. B.
eine Nockenscheibe oder -welle) kann dann zur Steuerung der
Ventile mit der halben Drehzahl der Antriebswelle laufen.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung schließt der
Läufer selbst die Einlaß- und Auslaßöffnungen im Verlauf
seiner Rotations-Translations-Bewegung (Anspruch 10). Hier
zu sind die Öffnungen vorteilhaft (in der senkrecht zur
Antriebswelle liegenden) Seitenwand des Gehäuseraums an
geordnet. Der Läufer ist so geformt, daß er die Öffnungen
in gewünschten Drehwinkelbereichen dicht abdeckt und in
anderen offenläßt. Er übernimmt somit auch die Funktion
eines Ventils, so daß die o.g. Ventile entfallen können.
Möglich ist aber auch die Kombination von Ventilen und dem
die Öffnungen abdeckenden und öffnenden Läufer.
Voraussetzung für eine Ausgestaltung, bei welcher die Ven
tilfunktion ausschließlich vom Läufer übernommen wird, ist,
daß in einen Arbeitsraum dann, wenn er dicht sein muß, d. h.
während des zweiten und dritten Takts keine vom Läufer
nicht überdeckten Öffnungen münden dürfen. Diese Bedingung
wird besonders vorteilhaft bei einer Ausgestaltung erfüllt,
bei der eine Funktionsaufteilung in der Weise erfolgt, daß
die zu einem Gehäuseraum gehörigen Arbeitsräume nur den
ersten und zweiten Takt (Ansaugen und Komprimieren) aus
führen, wohingegen die zu einem zweiten Gehäuseraum gehöri
gen Arbeitsräume den dritten und vierten Takt (Expandieren
und Ausstoßen) ausführen (Anspruch 12). Genauer wird im
ersten Takt im ersten Gehäuseraum bei offenliegender Ein
laßöffnung Gas in einen der Arbeitsräume angesaugt. Der
Läufer verschließt dann die Einlaßöffnung. Im zweiten Takt
wird das eingesaugte Gas komprimiert. Gegen Ende des zwei
ten Takts gibt der Läufer die Auslaßöffnung des Gehäuserau
mes frei. Das komprimierte Gas strömt dann durch die Aus
laßöffnung, einen Überströmkanal und die zu diesem Zeit
punkt offenliegende Einlaßöffnung des zweiten Gehäuseraums
in einen der dortigen Arbeitsräume. Bei der weiteren Dre
hung verschließt der Läufer des zweiten Gehäuseraums diese
Einlaßöffnung. Im dann folgenden dritten Takt erfolgt die
Zündung und Expansion. Der Läufer gibt dann die Auslaßöff
nung des zweiten Gehäuseraums frei und stößt dann die Ver
brennungsgase aus. Der jeweils zweite Arbeitsraum eines
Gehäuseraums folgt in diesem Ablauf um einen Arbeitstakt
(d. h. um 180°) versetzt.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß hier verschleißge
fährdete Ventile sowie ein aufwendiger Ventiltrieb völlig
entfallen. Die jeweiligen Gehäuse- und Arbeitsräume können
im Hinblick auf die ihnen zugewiesenen speziellen Funktio
nen (entweder nur Ansaugen und Komprimieren und/oder nur
Expandieren und Ausstoßen) optimiert werden.
Grundsätzlich kann die Zahl der Gehäuseräume, die für die
Kompression (d. h. für den ersten und zweiten Takt) zustän
dig sind, von der Anzahl der Gehäuseräume abweichen, die
für die Expansion (d. h. für den dritten und vierten Takt)
zuständig sind. Beispielsweise kann ein Kompressions-Gehäu
seraum zwei Expansions-Gehäuseräume versorgen oder umge
kehrt. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung als Zwillings-
Motor, wobei jeweils ein (Vor-)Verdichtungsraum und ein
Expansionsraum jeweils einen Zwilling bilden (Anspruch 13).
Um den vom (vor-)verdichteten Kraftstoff-Luftgemisch oder
der Luft zurückzulegenden Weg zwischen den beiden Gehäuse
räumen eines Zwillings kurzzuhalten, ist es vorteilhaft,
diese Räume nebeneinander anzuordnen (Anspruch 14).
Zur Erzielung größerer Leistungen kann der Motor mehrere
Räume, Zwillings- oder Drillings-Gehäuseräume aufweisen,
die vorteilhaft gemeinsam auf eine Antriebswelle wirken.
Durch eine gegeneinander verdrehte Anordnung kann man einen
weitgehend ausgeglichenen Kräfte- und Momenteverlauf erzie
len.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen und
der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 das Funktionsprinzip eines Rotationsläufer-Mo
tors;
Fig. 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Gehäuseraums mit Antriebswelle;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
ersten Ausführungsbeispiels eines Rotationsläu
fer-Motors;
Fig. 4a eine schematische Querschnittsdarstellung eines
zweiten Ausführungsbeispiels eines Rotationsläu
fer-Motors;
Fig. 4b eine perspektivische Darstellung des Rotations
läufers von Fig. 4a;
Fig. 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines
Motorgehäuses eines Zwillings-Rotationsläufer-
Motors ohne Rotationsläufer mit Ansicht einer
seitlichen Gehäusewand;
Fig. 6 eine schematische Querschnittsdarstellung des
Motorgehäuses von Fig. 5 mit Ansicht der anderen
seitlichen Gehäusewand;
Fig. 7 eine schematische Querschnittsdarstellung des
Motorgehäuses von Fig. 5 und 6 mit Ansicht einer
Trennwand zwischen den Gehäuseräumen;
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der Anordnung
der in den Fig. 5-7 gezeigten Wände im Zwil
lings-Rotationsläufer-Motor sowie der Welle, in
der Zeichnung neben den Wänden liegend darge
stellt;
Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Zylinder
blocks des in den Fig. 5-7 gezeigten Motorge
häuses;
Fig. 10 einen Querschnitt eines weiteren Ausgestaltungs
beispiels eines Rotationsläufers, ähnlich dem in
den Fig. 4a und 4b gezeigten;
Fig. 11 eine schematischen Querschnittsdarstellung des
Zündraums des in den Fig. 5-7 gezeigten Motor
gehäuses mit Rotationsläufer nach Fig. 10;
Fig. 12 einen Querschnitt eines weiteren Ausgestaltungs
beispiels eines Rotationsläufers
In der Zeichnung sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit Bezugszahlen gekennzeichnet, die sich um das zehn- oder vielfache hiervon unterscheiden.
In der Zeichnung sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit Bezugszahlen gekennzeichnet, die sich um das zehn- oder vielfache hiervon unterscheiden.
Ein Rotationsläufer-Motor gemäß Fig. 1 weist einen Gehäu
seraum 10 mit nichtkreisrunder Querschnittsform auf. Der
Rotationsläufer 12 unterteilt den Gehäuseraum 10 während
der gesamten Rotations-Translations-Bewegung in zwei gegen
einander abgedichtete Arbeitsräume A und B, deren Volumen
aufgrund der asymmetrischen Anordnung des Drehpunkts 11 der
Antriebswelle 13 zu- und abnehmen. Nicht gezeigt sind hier
Öffnungen zum Einlassen und Auslassen und Mittel zum Zünden
von Kraftstoff-Luftgemisch.
Arbeitet der Motor als Viertakter, wird bezogen auf Ar
beitsraum A im Verlauf des Übergangs von Fig. 1a über
Fig. 1b zu Fig. 1c Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt,
daraufhin im Verlauf des Übergangs von Fig. 1c über Fig.
1d zu 1a verdichtet, und dann beim Übergang von Fig. 1a
über Fig. 1b zu Fig. 1c gezündet und expandiert. Beim
Expandieren wird aufgrund des dann im Bezug auf den Läufer
12 nichtmittig liegenden Drehpunkts 11 der Antriebswelle 13
über den hierdurch gegebenen Hebelarm ein Drehmoment auf
die Welle 13 übertragen. Schließlich werden beim Übergang
von Fig. 1c über Fig. 1d zu Fig. 1a Abgase ausgestoßen.
Bezogen auf Arbeitsraum B werden in Fig. 1a über Fig. 1b
zu Fig. 1c Abgase ausgestoßen, in Fig. 1c über Fig. 1d
zu Fig. 1a Kraftstoff-Luftgemisch angesaugt, in Fig. 1a
über Fig. 1b zu Fig. 1c komprimiert und in Fig. 1c über
Fig. 1d zu Fig. 1a gezündet.
Arbeitet der Motor als Zweitakter, wird bezogen auf Ar
beitsraum A im Verlauf des Übergangs von Fig. 1a über
Fig. 1b zu Fig. 1c Kraftstoff-Luftgemisch gezündet und
expandiert. In Fig. 1c wird "gespült", d. h. es strömt
frisches Kraftstoff-Luftgemisch ein und stößt dabei die
Verbrennungsgase aus. Beim Übergang von Fig. 1c über Fig.
1d zu Fig. 1a wird das Kraftstoff-Luftgemisch verdichtet.
Der in der Fig. 2 obere Teil des Querschnitts des Gehäu
seraums 20 ist ein Halbkreis 24. Auf dessen Durchmesser 22
liegt nichtmittig der Drehpunkt 21 der Antriebswelle 23.
Alle Geraden, die durch den Drehpunkt 21 verlaufend einen
Punkt H des Halbkreises 24 mit einem Punkt U des unteren
Teils des Querschnitts 26 verbinden, haben die gleiche
Länge d, die der des Durchmessers 22 entspricht. Der untere
Teil des Querschnitts 26 ist konvex gekrümmt und verläuft
außerhalb der gestrichelt dargestellten Halbkreislinie 25,
die die Linie des Halbkreises 24 zu einer Kreislinie er
gänzt. Eine an den Anschlußstellen zwischen oberem und
unterem Teil an sich bestehende, geringfügige Unstetigkeit
in der ersten Ableitung ist verrundet.
Bei dem Rotationsläufer-Motor gemäß Fig. 3 weist der Quer
schnitt des Gehäuseraums 30 eine entsprechende Form wie in
Fig. 2 auf. Ein Teil des Querschnitts ist der Halbkreis
30a. Auf dessen Durchmesser 31 liegt außermittig der Dreh
punkt 33a der Antriebswelle 33. Diese ist fest mit einem
sich in Querrichtung erstreckenden Element 37 verbunden.
Der Rotationsläufer 32 weist einen Hohlraum 34 auf, der das
Element 37 aufnimmt. Dieses ist im Läufer 32 über Gleit-
oder Rollenlager querverschiebbar gelagert. Auf diese Weise
wird eine querverschiebbare, aber drehfeste Kopplung der
Welle 33 am Läufer 32 erreicht.
In die Kanten der beiden Enden des Läufers 32 sind Dicht
elemente 35, 36 eingelassen; ebenso entlang der äußeren
Begrenzungslinien der beiden ebenen Seitenflächen des Läu
fers 32 (hier nicht dargestellt). Diese dichten im Verlauf
der Rotations-Translations-Bewegung des Läufers 32 die zwei
Arbeitsräume A, B des Gehäuseraums 30 gegeneinander ab.
Eine Einlaßöffnung 38 und eine Auslaßöffnung 39 werden von
Ventilen geöffnet und geschlossen. Bei einem Viertakter
wird ein Ventil beispielsweise jeweils eine Umdrehung
(360°) lang geöffnet und eine Umdrehung lang geschlossen.
Dies kann z. B. durch eine Übersetzung zwischen Antriebs
welle und einem rotierenden Ventilsteuermittel (z. B. einer
Nockenscheibe) im Verhältnis 2 : 1 erreicht werden, z. B. in
Form eines Außenritzels auf der Antriebswelle und eines
Innenritzels mit doppelter Zahnzahl an der Nockenscheibe.
Es ist auch möglich, nach dem Komprimieren nicht zu zünden,
sondern ohne zu zünden zu expandieren, wieder zu komprimie
ren und dann erst zu zünden. Da in diesem Fall die Ventile
geschlossen bleiben, ist eine Übersetzung zwischen
Antriebswelle und Ventilsteuermittel von 3 : 1 erforderlich.
Bei dem Rotationsläufer-Motor gemäß Fig. 4a weist die
Antriebswelle 43 ein sich in Querrichtung erstreckendes
Element, hier in Form einer Bohrung 41 auf. Durch diese
hindurch erstreckt sich in Querrichtung zur Welle 43 ver
schiebbar eine Pleuelstange 40. Diese ist in dem Hohlraum 44
des Rotationsläufers 42 in der Translationsrichtung des
Läufers 42 angeordnet, wobei deren zwei Enden fest mit ihm
verbunden sind. Er ist somit über die Pleuelstange 40 mit
der Antriebswelle 43 drehfest, aber in Querrichtung ver
schiebbar gekoppelt. Der Läufer 42 weist an den Kanten
seiner zwei Enden Dichtelemente 45, 46 auf; außerdem sind
Dichtelemente 47, 48 entlang der Begrenzungslinien der
beiden ebenen Seitenflächen des Läufers 42 eingelassen.
Diese dichten im Verlauf der Rotations-Translations-Bewe
gung des Läufers 42 die vier Räume, nämlich die Arbeits
räume A und B und die Kammern C und D gegeneinander ab.
Fig. 4b zeigt eine perspektivische Darstellung des Rota
tionsläufers 42b des in Fig. 4a dargestellten Rotations
läufer-Motors. Die Dichtelemente 45b, 46b an den Kanten der
Enden des Läufers 42b sind zylinderförmig mit kreisrundem
Querschnitt und in Axialrichtung angeordnet. Sie wälzen
sich im Verlauf der Läuferbewegung an der Außenwand des
Gehäuseraums ab.
Bei einem Zwillings-Rotationsläufermotor mit Funktionsauf
teilung der Gehäuseräume gemäß Fig. 5 weist eine seitliche
Gehäusewand 50 eine Einlaßöffnung 51, Pumpöffnungen 52
sowie eine Bohrung 53 für eine Antriebswelle auf. Der Rota
tionsläufer 42 gemäß Fig. 4 weist einen Hohlraum 44 auf,
der von einer Antriebswelle 43 in zwei gegeneinander abge
dichtete Kammern C und D unterteilt wird. Wird die seitli
che Wand gemäß Fig. 5 mit dem hohlraumförmigen Rotations
läufer 42 gemäß Fig. 4 verwendet, wird eine beliebige
Pumpöffnung 52 im Verlauf der Rotations-Translations-Bewe
gung des Rotationsläufers 42 abwechselnd vom Rotationsläu
fers 42 abgedeckt, oder sie mündet offen in den Hohlraum 44
des Läufers 42. Einige der Pumpöffnungen 52 stehen immer
dann mit dem Hohlraum 44 in Verbindung, wenn
- a) die entsprechende Kammer C oder D des Hohlraums 44 ihr Volumen vergrößert, andere dann, wenn
- b) die entsprechende Kammer C oder D des Hohlraums 44 ihr Volumen verkleinert, andere dann, wenn
- c) die entsprechende Kammer C und D des Hohlraums 44 ihr Volumen erst verkleinert und dann vergrößert oder umgekehrt.
Zur Erzielung der Pumpfunktion ohne Verwendung von Ventilen
werden die Pumpöffnungen 52 gemäß a) mit denen gemäß b)
miteinander verbunden.
Fig. 6 zeigt die eine seitliche Wand 60 des anderen Gehäu
seraums des Rotationsläufer-Motors gemäß Fig. 5 mit Auslaß
öffnung 61, Pumpöffnungen 62 sowie der Bohrung 63 für die
Antriebswelle.
Gemäß Fig. 7 weist eine Trennwand 70 zwischen den beiden
Gehäuseräumen des Motors gemäß Fig. 5 und 6 eine Über
strömöffnung 71 auf. Der erste Gehäuseraum (Fig. 5) arbei
tet als Verdichtungs- bzw. Kompressionsraum, der andere
(Fig. 6) als Entspannungs- oder Expansionsraum. Über die
Überströmöffnung 71 strömt das im Verdichtungsraum
(vor-) verdichtete Kraftstoff-Luftgemisch vom Verdichtungs
in den Expansionsraum.
Die gemeinsame Anordnung der seitlichen Wand 50 gemäß Fig.
5, der anderen seitlichen Wand 60 gemäß Fig. 6, sowie der
Trennwand 70 gemäß Fig. 7 im Zwillings-Rotationsläufer-
Motor ist schematisch in Fig. 8 dargestellt. Zwischen der
seitlichen Wand 81 und der Trennwand 80 befindet sich der
Verdichtungsraum; zwischen der Trennwand 80 und der anderen
seitlichen Wand 82 der Expansionsraum. Durch die Bohrungen
86, 87, 88 der Wände 80, 81, 82 hindurchgehend verläuft die
Antriebswelle 83 mit Pleuelstangen 84, 85, hier neben den
Wänden 80, 81, 82 liegend dargestellt. Zwischen je einer
seitlichen Wand 81, 82 und der Trennwand 80 ist ein Zylin
derblock 90 gemäß Fig. 9 angeordnet.
Für den Zwillings-Motor mit Funktionsaufteilung gemäß Fig.
5-9 sind besonders ausgebildete Läufer 102 gemäß Fig. 10
vorgesehen, die vorteilhaft im Verdichtungs- wie im Expan
sionsraum eingesetzt werden können. Sie sind ähnlich dem in
den Fig. 4a und 4b gezeigten ausgebildet. Der Läufer 102
weist wie jener Dichtelemente 105, 106, 107, 108, einen
Hohlraum 104,. eine Pleuelstange 100 und zwei Aussparungen
101, 103 auf.
Im Verdichtungsraum wird im Verlauf der Rotations-Trans
lations-Bewegung des Läufers 102 bei zunehmendem Volumen
eines Arbeitsraums über die Einlaßöffnung 61 Kraftstoff-
Luftgemisch angesaugt, dann bei abnehmenden Arbeitsvolumen
verdichtet, woraufhin das (vor-)verdichtete Kraftstoff-
Luftgemisch in den Expansionsraum strömt. Beide Arbeits
räume des Verdichtungsraums arbeiten parallel, wobei auf
grund der Versetzung um einen Takt einer jeweils ansaugt
und der andere verdichtet. Der Läufer 102 deckt die Über
strömöffnung 71 der Trennwand 70 im Verlauf seiner Rota
tions-Translations-Bewegung ab. Er ist so ausgebildet, daß
er zweimal pro Umlauf die Überströmöffnung 71 mit seinen
Aussparungen 101, 103 zu einem geeigneten Zeitpunkt und für
die benötigte Zeitdauer öffnet, so daß (vor-)verdichtetes
Kraftstoff-Luftgemisch vom Verdichtungsraum in den Expan
sionsraum überströmen kann.
Daraufhin wird das Kraftstoff-Luftgemisch gezündet, wobei
gemäß Fig. 11 der Rotationsläufer 112 des Expansionsraums
im Moment der Zündung die Überströmöffnung 111 abdeckt. Bei
der Verbrennung wird der Rotationsläufer 112 mit Druck
beaufschlagt, wodurch aufgrund der außermittigen Anordnung
der Drehachse ein Drehmoment auf die Antriebswelle über
tragen und somit im Verlauf der weiteren Expansionsbewegung
Arbeit verrichtet wird. Bei sich daraufhin wieder verrin
gerndem Arbeitsvolumen werden die Abgase über die Ausgangs
öffnung ausgeschoben. Beide Arbeitsräume des Zündraums
arbeiten parallel, wobei aufgrund der Versetzung um einen
Takt jeweils einer expandiert und der andere ausschiebt.
Die Überströmöffnung 71 wird von den Rotationsläufern im
Verlauf ihrer Rotations-Translationsbewegung geöffnet und
geschlossen, so daß keine Ventile erforderlich sind. Die
Einlaßöffnung. 61 steht immer mit dem Arbeitsraum des Ver
dichtungsraums in Verbindung, der gerade ansaugt. Die Aus
laßöffnung steht immer mit dem Arbeitsraum des Zündraums in
Verbindung, der gerade ausstößt, so daß auch hier keine
Ventile erforderlich sind.
Fig. 12 zeigt schließlich, daß der Rotationsläufer auch
andere Querschnittsformen als in der Fig. 1, 3, 4, 10 und
11 haben kann. Der beispielhaft dargestellte Läufer 112 hat
die Form zweier auseinandergezogener Halbkreise 120, 121 in
die Geradenabschnitte 122, 123 mit den Aussparungen 124,
125 eingesetzt sind.
Claims (14)
1. Rotationsläufer-Motor mit
- a) wenigstens einem Gehäuseraum (10, 20, 30) nicht kreisrunder Querschnittsform,
- b) einem darin angeordneten Rotationsläufer (12, 32, 42, 42b, 102, 112), der mit einer Antriebswelle (13, 23, 33, 43, 83) des Motors drehfest, aber in Querrichtung verschiebbar gekoppelt ist, so daß er eine kombinierte Rotations- und Translations bewegung ausführt,
- c) wobei die nichtkreisrunde Querschnittsform des Gehäuseraums (10, 20, 30) so gewählt ist, daß der Rotationsläufer (12, 32, 42, 42b, 102, 112) bei seiner Rotations-Translations-Bewegung den über strichenen Gehäuseraum (10, 20, 30) in zwei Arbeitsräume A, B mit sich vergrößernden und ver kleinernden Volumina unterteilt.
2. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 1, wobei ein Teil
der Querschnittsform des Gehäuseraums (20, 30) halb
kreisförmig ist und der Drehpunkt (21) der An
triebswelle (23, 33, 43, 83) außermittig auf dem
Durchmesser (22) des Halbkreises (24) liegt.
3. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Antriebswelle (23, 33, 43, 83) ein sich in Quer
richtung erstreckendes Element (37) aufweist und die
querverschiebbare, aber drehfeste Kopplung durch Füh
rung des Rotationsläufers (12, 32, 42, 42b, 102, 112)
an dem Element (37) erreicht wird.
4. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 3, wobei das Ele
ment eine Querbohrung (41) durch die Antriebswelle
(13, 43, 83) ist, die eine mit dem Rotationsläufer
(12, 42, 42b, 102, 112) verbundene oder Teil des Rota
tionsläufers (12, 42, 42b, 102, 112) bildende Pleu
elstange (40, 84, 85, 100) aufnimmt.
5. Rotionsläufer-Motor nach Anspruch 3, wobei das Element
ein nichtrunder Absatz der Antriebswelle und/oder
Ansatz (37) an der Antriebswelle (33) ist.
6. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 4 oder 5, wobei im
Rotationsläufer (12, 32, 42, 42b, 102, 112) ein Hohl
raum (34, 44, 104) ausgebildet ist, der die Antriebs
welle (13, 33, 43) aufnimmt.
7. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 6, wobei der Hohl
raum (44, 104) zur Erzielung einer Pumpwirkung von der
Antriebswelle (43, 83) in zwei Kammern mit sich im
Verlauf der Rotations-Translations-Bewegung des Rota
tionsläufers (44, 104) vergrößernden und verkleinern
den Volumina unterteilt wird.
8. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 7, wobei die so
gebildete Pumpe als Ölpumpe für den Motor dient.
9. Rotationsläufer-Motor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei der Gehäuseraum Einlaß- und Auslaß
öffnungen (38, 51), (39, 61) für Kraftstoff-Luftge
misch, Kraftstoff, Luft und/oder Verbrennungsgase auf
weist.
10. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 9, wobei wenig
stens eine der Einlaß- und Auslaßöffnungen (51), (61)
vom Rotationsläufer (42, 102) im Verlauf seiner Rota
tions-Translations-Bewegung geöffnet und geschlossen
wird.
11. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 9 oder 10, wobei
wenigstens eine der Einlaß- und Auslaßöffnungen (38,
51), (39, 61) von Ventilen geöffnet und geschlossen wird.
12. Rotationsläufer-Motor nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, wobei eine Funktionsaufteilung zwischen
verschiedenen Gehäuseräumen in der Weise erfolgt, daß
in wenigstens einem Gehäuseraum Kraftstoff-Luftge
misch, Kraftstoff oder Luft verdichtet oder vorver
dichtet wird, und in wenigstens einem anderen Gehäuse
raum bereits (vor) verdichtetes Kraftstoff-Luftgemisch
bzw. Kraftstoff gezündet wird.
13. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 12, der als Zwil
lings-Rotationsläufer-Motor ausgebildet ist, wobei ein
(Vor-)Verdichtungsraum und ein Zündraum jeweils einen
Zwilling bilden.
14. Rotationsläufer-Motor nach Anspruch 13, wobei die
einen Zwilling bildenden Räume nebeneinander angeord
net sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996128867 DE19628867A1 (de) | 1996-07-17 | 1996-07-17 | Rotationsläufer-Motor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1996128867 DE19628867A1 (de) | 1996-07-17 | 1996-07-17 | Rotationsläufer-Motor |
Publications (1)
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DE19628867A1 true DE19628867A1 (de) | 1998-01-22 |
Family
ID=7800104
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1996128867 Withdrawn DE19628867A1 (de) | 1996-07-17 | 1996-07-17 | Rotationsläufer-Motor |
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Country | Link |
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