DE19628867A1 - Rotationsläufer-Motor - Google Patents

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.

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.