DE3809386C2 - Rotationskolbenmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, mit einem Gehäuse, in dem ein Rotationskolben an­ geordnet ist, der Rotationskolben mit auf dem Um­ fang verteilten Füllkammern versehen ist, in dem Gehäuse auf den Umfang verteilte Brennkammern vor­ gesehen sind, zentrisch in dem Rotationskolben ein Druckraum für ein Treibgas vorgesehen ist, der Druckraum über Füllkanäle mit den Füllkammern ver­ bunden ist und die Füllkammern mit von an der Ge­ häuseinnenwand vorgesehen Nocken betätigbaren schwenkbaren Dichtklappen verschließbar und über füllkammerseitige Rückschlagventile befüllbar sind, die durch den Druck aus dem zentrischen Druckraum über die Füllkanäle in die Füllkammern zu öffnen sind.

Rotationskolbenmotoren, wie sie beispielsweise aus der DE 32 14 239 A1 bekannt sind, eigenen sich be­ sonders für den Betrieb mit einem Wasserstoff- Knallgasgemisch. Derartige Wasserstoff-Knallgas­ motoren entwickeln keine schädlichen Verbrennungs­ gase sondern haben als Abgas reinen Wasserdampf, der in hohem Maße umweltverträglich ist. Pro­ blematisch dabei ist die Steuerung und die Anord­ nung der Füllkammern und Brennräume, um einen gleichmäßigen Rundlauf zu erzielen.

Aus der US 1 349 353 ist ein gattungsgemäßer Rota­ tionskolbenmotor mit einem Gehäuse bekannt, in dem ein mit Füllkammern versehener Rotationskolben an­ geordnet ist. In dem Gehäuse sind drei auf dem Umfang verteilte Brennkammern vorgesehen, in die komprimierend in die Füllkammern einschwenkbare Dichtklappen ausschwenken können. Von den über die gesamte Breite der Brennkammern verlaufenden Ge­ häuseinnenwandungen werden die Dichtklappen wieder zurück in die Füllkammern gedrückt. Die Füllkam­ mern werden aus einem zentrischen Druckraum über Füllkanäle mit Treibgas versorgt, wobei die Fül­ lung über Rückschlagventile durch den Druckunter­ schied zwischen den Kammern erfolgt.

Der Füllgrad wird dabei in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zufällig bestimmt. Eine genaue Do­ sierung ist nicht möglich. Vielmehr vergrößert sich hier schlagartig der Raum, wenn die Dichtklappen in die Brennkammern ausweichen kann. Dies ist auch erforderlich, weil die Stirnfläche der Dichtklappen zugleich eine Druckfläche für das entzündete Treibgas bildet.

Aus der DE-PS 3 78 170 ist ein Rotationskolbenmotor bekannt, bei dem ein fertiges Brennstoff-Luftge­ misch durch eine Mittelbohrung angesaugt und über quer durch den rotierenden Kolben verlaufende Kanäle auf die Rückseite von Kolbenflügeln gelei­ tet wird. Die in den Kanälen vorgesehenen Ventile sind Rückschlagventile, die durch die Flügel nicht gesteuert werden. Bei der Rotation schlagen die drehbaren Flügel gegen die Kanten von gehäusesei­ tigen Absätzen und werden dadurch geschlossen. Eine ventilgesteuerte Befüllung der Brennkammern ist dabei nicht möglich.

Schließlich ist aus der FR-PS 589 571 ein Rotati­ onskolbenmotor bekannt, bei dem der Rotationskol­ ben mit Füllkammern und Dichtklappen versehen ist, die Füllkammern über Kanäle befüllbar sind und diese Kanäle über Ventile steuerbar sind. Die Ventile werden dabei jedoch nicht durch die Dicht­ klappen gesteuert und stellen lediglich steuerbare Öffnungen für die Füllkammern dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotationskolbenmotor der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, der auf seinen Umfang verteilt eine exakte Dosierung der Füllmenge an Treibgas ermöglicht und so einen ruhigen Rundlauf gewähr­ leistet.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß den Füllkanälen der Füllkammern druckraumseitig Füll­ ventile zugeordnet sind, die durch die Dichtklap­ pen betätigbar sind.

Durch diese Maßnahmen wird ein Rotationskolbenmo­ tor geschaffen, bei dem die Füllventile gesteuert werden können, und zwar werden sie mit Dichtklap­ pen betätigt, d. h., geöffnet und geschlossen. Dazu herrscht in dem zentrischen Druckraum ein Über­ druck, der sich beim Öffnen der Füllventile bis in die von den Dichtklappen geschlossenen Füllkammern überträgt. Dadurch ist in Abhängigkeit von Druck und Temperatur eine genaue Dosierung der Treibgas­ menge in den Füllkammern möglich. Beim Weiterdre­ hen des Rotationskolbens werden die Dichtklappen freigegeben, die Füllventile schließen sich und das in den Füllkammern vorhandene Treibgas gelangt erst jetzt in die eigentlichen Brennkammern.

Erst jetzt gelangt auch die erforderliche Verbren­ nungsluft durch die Sauerstoffzufuhr zu dem Treib­ gas, und es entsteht ein zündfähiges Gemisch. Es erfolgt somit eine getrennte Zufuhr von Treibgas und Sauerstoff in den Brennraum. Das Treibgas kann dabei gleichzeitig zur Kühlung in dem zentrischen Kühlraum verwendet werden, während die mit recht hohen Temperaturen beaufschlagten Brennräume mit Keramikbeschichtungen versehen sind.

Im Augenblick der Sauerstoffzufuhr wird das Ge­ misch gezündet und die Dichtklappen wirken zugleich als Treiber, die von dem bei der Verbren­ nung expandierenden Treibgas-Luftgemisch angetrie­ ben werden. Etwa nach der Hälfte des zurückgeleg­ ten Weges werden die Dichtklappen von den Steuer­ kanten eingefangen und allmählich gegen den immer noch vorhandenen Druck des verbrannten Treibgases dem Schließnocken zugeführt. Gleichzeitig wird die Auslaßöffnung freigegeben und das verbrannte Gas kann entweichen. Unter dem Nocken erfolgt eine neue Öffnung des Füllventils und der Füll-, Expan­ sions-, Zünd-, Treib- und Schließvorgang kann er­ neut beginnen.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung ist an­ hand eines Ausführungsbeispieles in der beiliegen­ den Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend nä­ her beschreiben; es zeigt:

Fig. 1 den Querschnitt des Rotationskol­ benmotors;

Fig. 2 die Seitenansicht im Schnitt;

Fig. 3 stellt die Bewegungsabläufe der Dichtklappen im Maßstab 1 : 2 dar;

Fig. 4 eine Dichtklappen in vier Ansich­ ten;

Fig. 5 den Rotationskolben in Draufsicht und zwei Gehäusehälften im Schnitt;

Fig. 6 den Rotationskolben in drei Bautei­ len;

Fig. 7 den schematischen Aufbau der Ver­ sorgung mit einer zusätzlichen Kompres­ soreinheit.

Fig. 1 zeigt im Motorblock 1 den Rotationskolben 2 mit fünf Füllkammern I-V und dessen Dichtklappen 3 sowie den Druckraum 6 mit den Füllventilen 4 und den Rück­ schlagventilen 5. Die Position der Füllkammer III zeigt die Befüllung, bei der die Dichtklappen 3, bedingt durch den Nocken 7 des Gehäuses, das Füllventil 4 betä­ tigt. Der im Druckraum 6 befindliche Wasserstoff-Gas­ druck, z. B. sechs bar, strömt nun über den Füllkanal 30 und das Rückschlagventil 5 in die Füllkammer 28.

Vergrößert ist dieser Vorgang in Fig. 3 dargestellt. Das Rückschlagventil 5 wird durch den Druck entgegen seiner Federkraft geöffnet und bei annäherndem Druck­ ausgleich automatisch geschlossen. Die Füllkammer 28 wird durch die Dichtklappe 3 begrenzt und gedichtet. Beim Drehen des Rotationskolbens 2, links, gibt der Nocken 7 die Dichtklappen 3 frei, wobei der Wasser­ stoffgasdruck die auf einer Seite durch den Stift 33 gelagerte Dichtklappe gegen die Laufkante 29 der Brenn­ kammer 16 drückt und somit sich das Füllventil 4 mit Hilfe seiner Feder 31 schließt. Nun kann das Sauer­ stoffgas über die Einlaßbohrung 11 zugeführt werden und das wirkungsvolle Knallgasgemisch dann durch die Zünd­ kerze 13 gezündet werden. Variablerweise kann je nach Fülldruck auch Selbstzündung genutzt werden.

In Fig. 1 an der Position der Füllkammer I läßt sich dieser Ablauf erkennen. Der sich nun ausbreitende Ver­ brennungsdruck treibt die Dichtklappen 3 und den mit ihm verbundenen Rotationskolben 2 in der Brennkammer 16 nach links an, wobei die Dichtklappen nach allen Seiten dichtend wirkt. In die Laufkante 29 der Brennkammern 16 ist eine spitzförmige Entlastungsnut 62 gefräst, um ein plötzliches Abreißen des Verbrennungsdruckes zu vermei­ den und eine Steuerkante 63, um ein hartes Aufschlagen der Dichtklappen 3 auf den Nocken 7 zu vermeiden.

Beim Passieren der Dichtklappen 3 über die Entlastungs­ nut 62 und die Steuerkante 63 wird dem nun verbrannten Gasgemisch der Weg aus der Brennkammer 16 über den Aus­ laß 8 und die Auslaßbohrung 9 sowie den Auslaßsammelka­ nal 10 geöffnet, wobei die nachfolgende Dichtklappen 3 für die Restentsorgung wirkt.

Bei dieser Bauweise wiederholt sich dieser Vorgang für jede Füllkammer nebst Dichtklappen bei einer Umdrehung dreimal, d. h., bei fünf Füllkammern, wie hier darge­ stellt, ergibt dies fünfzehn Zündungen bei einer Läu­ ferumdrehung.

Fig. 1 zeigt weiterhin mögliche Anordnungen von Kühlkanälen 14, der Einlaßventile für Sauerstoff 12, der Verschraubungen 15 für das Gehäuse und der Dicht­ leisten 22. Die Brennkammer 16 sind mit VI, VII und VIII bezeichnet.

Fig. 2 stellt die Seitenansicht im Schnitt dar. In zwei Motorblockhälften, B1 und B2, ist der Rotations­ kolben 2 in drei Bauteilen, L1, L2 und L3, gezeigt. L3 weist eine nach außen führende Welle 21 auf, welche durch die innere Bohrung für die Versorgung mit Wasser­ stoffgas für den Druckraum 6 sorgt.

Für die Kraftumsetzung ist auf der Welle der Zahnkranz 18 in Verbindung mit dem Zahnrad für Kraftabnahme 19 zur weiteren Verwendung vorgesehen. Die Welle 21 ist an das Versorgungssystem mit einem feststehenden druck­ dichten Drehflansch 20 verbunden. Als Lager 17 können wartungsfreie Rollen oder Kugellager verwendet werden. Die Dichtringe 22 werden über Ölkanäle 64 durch ein Druckumlaufsystem 65, wie dies Fig. 7 zeigt, ge­ schmiert.

Die Kühlung erfolgt über Kühlkanäle 14 und die dazuge­ hörigen Kühlleitungsanschlüsse 69 mit Wasserpumpe 67 sowie Kühler 68. Zwischen den Motorblockhälften B1 und B2 ist eine Dichtung 23 zweckmäßig konzipiert.

Fig. 3 zeigt die verschiedenen Bewegungsabläufe der Dichtklappen 3 mit den Ventilen 4 und 5 in Verbindung mit den Rotationskolben 2 und dem Nocken 7 in der Brennkammer 16. Bild I zeigt die Befüllung der Füllkam­ mer 28, indem die Dichtklappen 3 unter Einwirkung des Nocken 7 den Stößel 27 und somit das Füllventil 4 zum Druckraum 6 betätigt.

Das unter Druck stehende Wasserstoffgas hat nun den Weg frei über den Füllkanal 30 und öffnet mit seinem Eigen­ druck das Rückschlagventil 5 gegen dessen Federkraft. Bei annäherndem Druckausgleich schließt diese Feder­ kraft das Rückschlagventil selbständig.

Bild II zeigt die Freigabe der Druckklappe 3 durch den Nocken 7, wobei der Wasserstoffdruck in der Füllkammer 28 die Dichtklappen öffnet und somit sich das Füllven­ til 4 unter der Einwirkung der Feder 31 schließt.

Bild III zeigt den Vorgang nach der Zündung im Bereich der Entlastungsnut 62 und der Steuerkante 63, wo die Dichtklappe 3 unter Einwirkung des Verbrennungsdruckes an der Laufkante 29 der Brennkammer 16 entlangläuft. In der dargestellten Phase wird der Verbrennungsdruck durch die Entlastungsnut 62 gemindert, indem der Druck zum Teil vor der Wirkung der Steuerkante 63 entweichen kann und somit ein hartes Abreißen von der Laufkante 29 verhindert.

Bild IV zeigt wie unter Wirkung der Steuerkante 63 ein hartes Aufschlagen der Dichtklappen 3 auf den Nocken 7 verhindert wird und die verbrannten Gase den Weg über den Auslaß 8 frei haben. Für die restliche Entsorgung der Brennkammer sorgt die nachfolgende Dichtklappe.

Fig. 4 zeigt die Dichtklappe mit möglichen seitlichen Flügeldichtleisten 71, welche je ca. 0,1 mm überstehen sollten. Der Keilspalt 72 sorgt für die Anpressung der Flügeldichtleisten 71 nach außen und somit für den Dichteffekt unter Druck.

Fig. 5 zeigt die beiden Motorblockhälften im Schnitt I und III sowie den Rotationskolben II in der Draufsicht. Die Aufnahme für das Zentrierlager 34 ist im Rotations­ kolbenteil L1 zu sehen sowie der dazugehörige Aufnahme­ zapfen im Blockteil I. Der Rotationskolben II zeigt in seinen Teilen L1 und L3 die Nutfräsungen 36 für die Aufnahme der Dichtringe. Rotationskolben L2 zeigt den Sitz der Dichtklappen 3 mit den Stiften 33 und die An­ ordnung der Füllventile 4 nebst den Rückschlagventilen 5.

Die unter III dargestellte Motorblockhälfte zeigt den Aufbau der Brennkammer 16, die Laufkante 29 bzw. Lauf­ fläche, die Entlastungsnut 62, die Steuerkante 63, die Nocken 7, die Einlaßbohrung für das Sauerstoffgas 11, die Zündkerzenbohrung 26, die Nutfräsungen 36 für die Dichtringaufnahme, den Auslaß 8 die Auslaßbohrung 9, die Wellenbohrung 25 und die Lagersitze 24 für die Welle 21 und das, wie in Fig. 2 gezeigte, Ölkanalsy­ stem 64 für die Dichtringe.

Die Erfindung geht davon aus, daß auf eine Schmierung im Bereich der Brennkammer verzichtet werden kann, wenn nur mit sauberen Gasen gearbeitet wird, da somit bei der Verbrennung keine Rückstände entstehen und bei hochpoliertem Material, möglichst Titan, kaum Reibungs­ wärme.

Fig. 6 zeigt den Rotationskolben in seinen drei Bau­ teilen und in zwei Ansichten. Rotationskolben L1 zeigt in seiner Mitte die Aufnahme für das Zentrierlager 34, ferner den Sitz für die versenkbare Verschraubung 35, die Nutfräsungen 36 für die Dichtringe und in seiner Seitenansicht auch die Bohrungen für die Stiftaufnahme 39 der Dichtklappen.

Rotationskolbenteil L2 zeigt den Druckraum 6 mit den Füllventilen 4 in seiner Mitte. Die Fräsungen auf der Außenfläche ergeben die Füllräume und den Sitz für die Dichtklappen. Die Verschraubungsbohrung 15, das Rück­ schlagventil 5 und der Stößel 27 für das Füllventil sind ebenfalls gekennzeichnet.

Hochgelagert ist die Dichtklappen 3 mit Stiftbohrung 38 und Stift 33 dargestellt. Rotationskolben L3 zeigt in seiner Mitte die Zuführungsbohrung für das Wasserstoff­ gas 37, die Verschraubungsbohrungen 15, welche auf die­ ser Seite mit einem Gewinde zu versehen sind, und die Stiftaufnahmebohrungen 39, sowie wiederum die Nutfrä­ sungen 36 für die Dichtringe und den Stumpf der Welle 21.

Fig. 7 stellt den schematischen Aufbau der Versorgung dar. Zusätzlich ist eine Mehrzweck-Kompressoreinheit zur Rückführung von Überdruckgasen bei zusätzlicher Er­ zeugung von Preßluft zur individuellen Nutzung unterge­ bracht. Die Erfindung geht davon aus, daß Wasserstoff und Sauerstoff in flüssigem Zustand gespeichert und in gasförmigen verbraucht wird.

In dem Energiespeicher 41 befindet sich flüssiger Was­ serstoff, welcher in dem Druckentwickler 47 unter Wär­ meeinfluß in den gasförmigen Zustand übergeht. Die Verbindung zum Druckbehälter 45 wird durch das Druckre­ gelventil 43 geregelt, ebenso zum druckdichten Dreh­ flansch 20.

Die Zuführung von Sauerstoff ist der des Wasserstoff zum Motor gleich, mit den Bezeichnungen für den Ener­ giespeicher 42, die Sauerstoffregelventile 44, den Sau­ erstoffdruckbehälter 46 und das Einlaßventil für Sauer­ stoffgas 12.

Entstehender Überdruck kann wie folgt genutzt werden. Der Wasserstoffgasüberdruck wird über das Überdruckven­ til 60 durch die Überdruckleitung 52 zu dem Doppelkom­ pressor 48-59 in Fig. 7 geführt, welcher den Kolben 50 in seinem zylindrischen Gehäuse 49 in eine Richtung treibt, wobei der Aktivierungsraum 53 entsteht und gleichzeitig am anderen Ende des Kolbens der Preßraum 55 sich verringert, wobei durch den dabei entstehenden Druck die Lufteinlaßklappe 48 schließt und somit Preß­ luft erzeugt und über die Preßluftleitung 54 zum Preß­ luftkessel 40 geführt wird.

Der Kloben 50 in seiner Endstellung gibt den Weg für das Wasserstoffgas mit den Kolbenringen 58 zu der Über­ druckführungsleitung 56 zum Rückführventil 61 frei und letztlich wieder in den Energiespeicher 41. Der Weg für das Sauerstoffüberdruckgas ist dem des Wasserstoffs gleich.

Die Kompressoreinheit hat zwei gegenüberliegende Zylin­ der und Kolben, welche miteinander durch die Kolbenver­ bindungsstange 57 verbunden sind. Dies ergibt eine Wechselwirkung, was ein Vorsteuern voraussetzt.

In Fig. 7 wird weiter eine außenliegende Ölleitung 70 gezeigt, nebst einer Ölpumpe 65 für die Schmierung der Dichtleisten in einem geschlossenen System. Die Ölpumpe 65 kann mechanisch über den Zahnkranz 18 betrieben werden und sollte noch ein Speichergefäß enthalten. Die Kühlung des Motors ist mit der Kühlleitung 66, der Was­ serpumpe 67 und dem Kühler 68 dargestellt.

Bei der Konzeption dieses Motors mit fünfzehn Zündungen für eine Umdrehung ergibt sich, daß dieser mit geringer Drehzahl betrieben, trotzdem eine starke Leistung voll­ bringt, bei bisher unbekannter Laufruhe.

Claims (4)

1. Rotationskolbenmotor, mit einem Gehäuse, in dem ein Rotationskolben angeordnet ist, der Rotationskolben mit auf dem Umfang verteilten Füllkammern versehen ist, in dem Gehäuse auf den Umfang verteilte Brenn­ kammern vorgesehen sind, zentrisch in dem Rotati­ onskolben ein Druckraum für ein Treibgas vorgesehen ist, der Druckraum über Füllkanäle mit den Füllkam­ mern verbunden ist und die Füllkammern mit von an der Gehäuseinnenwand vorgesehen Nocken betätigbaren schwenkbaren Dichtklappen verschließbar und über füllkammerseitige Rückschlagventile befüllbar sind, die durch den Druck aus dem zentrischen Druckraum über die Füllkanäle in die Füllkammern zu öffnen sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Füllkanälen (30) der Füllkammern (28) druckraumseitig Füll­ ventile (4) zugeordnet sind, die durch die Dicht­ klappen (3) betätigbar sind.

2. Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Füllventile (4) sich bei ge­ schlossenen Dichtklappen (3) in geöffneter Stellung befinden und bei geöffneten Dichtklappen (3) durch Ventilfedern (31) in Geschlossenstellung gehalten sind.

3. Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Dichtklappen (3) durch an den seitlichen Gehäuseinnenwandungen der Brennkammern (16) angeordnete und auf die Nocken (7) zulaufende Steuerkanten (63) geführt sind.

4. Rotationskolbenmotor nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllventile (4) mit Stößeln (27) versehen sind, welche durch Auf­ lage der geschlossenen Dichtklappen (3) die Füll­ ventile (4) öffnen.