WO2005083233A1

WO2005083233A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: WO2005083233A1
Application number: PCT/CH2005/000108
Authority: WO
Inventors: Matthias Richard Voser
Original assignee: Matthias Richard Voser
Priority date: 2004-02-26
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2005-09-09

Abstract

Die Drehkolbenmaschine besteht aus einem Gehäuse (3) und darin an mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Achsen (6,7) drehenden, ineinander kämmenden Arbeitsrädern (1,2). Diese haben die Form mindestens eines Kolbenrades (1) und mindestens eines Kammerrades (2), deren gegenläufige Drehungen über die Achsen (6,7) miteinander synchronisiert sind, sodass sich zwischen den Arbeitsrädern (1,2) periodisch eine sich verkleinernde und dann wieder vergrössernde Arbeitskammer (10) bildet. Diese Drehkolbenmaschine kann vom Grundprinzip her als Verbrennungsmotor ausgeführt sein, als Stirlingmotor, als Dampfmaschine oder auch als Fluidpumpe.

Description

Drehkolbenmaschine

[0001] Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine, die einerseits als Wärmekraftmaschine konstruiert sein kann, um aus zyklischer oder konstanter Wärmezufuhr mechanische Arbeit zu gewinnen, und die andrerseits auch als Pumpe konstruiert sein kann, um mittels eines externen Antriebes ein Fluid zu pumpen.

[0002] Diese Drehkolbenmaschine lehrt eine neue Geometrie der im Volumen periodisch veränderlichen, abgeschlossenen Arbeitskammer, das heisst der Brennkammer bei einem Verbrennungsmotor oder der Pumpkammer bei einer Pumpe. Im Falle einer Wärmekraftmaschine können die expandierenden Gase direkt eine zentrische Drehbewegung der beweglichen Teile erzeugen, während bei einer Pumpe umgekehrt die Drehbewegung für das Ansaugen, Verdichten und Pumpen eines Fluids eingesetzt wird.

[0003] Die heute verwendeten Explosionsmotoren, die praktische Bedeutung haben, basieren meistens auf zylindrischen Hohlräumen, in denen sich Kolben, die ebenfalls von zylindrischer Form sind, entlang der Zylinderachse bewegen und so das Volumen des Brennraumes periodisch verändern. Es handelt sich dabei um Hubkolbenmotoren. Über einen Pleuel und eine Kurbelwelle wird die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt, welche auf eine Abtriebswelle übertragen wird. Obwohl dieser Motorentyp ausserordentlich verbreitet, ausgereift und zuverlässig ist, können einige Nachteile nicht ausser acht gelassen werden. Solche Motoren bestehen aus einer Vielzahl von mechanischen Teilen, was die Herstellung aufwändig macht und sich auf die Kosten ungünstig auswirkt. Die Kolben werden ständig abgebremst und beschleunigt, was zur Erreichung einer gewissen Laufruhe aufwändige Massnahmen für den Massenausgleich erfordert. Die Konstruktionsweise wirkt sich ungünstig auf die Baugrösse und das Gewicht des Motors aus. Durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird die Drehzahl beschränkt. Eine weitere, weniger verbreitete Konstruktion für einen Verbrennungsmotor besteht aus einem epizykloiden Gehäuse, in welchem sich ein dreieckiger Rotor exzentrisch bewegt und dadurch den Rauminhalt der vom Rotor und der Gehäusewand gebildeten Brennkammer periodisch verändert. Es handelt sich dabei um einen Kreiskolbenmotor, besser bekannt als Wankelmotor. Die Kraft wird vom Kreiskoiben durch eine Innenverzahnung über einen mit einem Ritzel versehenen Exzenter auf die Abtriebswelle übertragen. Das Volumen der Brennkammer lässt sich jedoch nur in relativ bescheidenen Ausmassen variieren, sodass nur vergleichsweise kleine Kompressionsverhältnisse möglich sind. [0004] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Drehkolbenmaschine zu schaffen, deren sämtliche beweglichen Teile ausschliesslich zentrisch drehen, die ausserdem einfacher im Aufbau ist als herkömmliche Kolbenmaschinen und aus weniger Teilen besteht, weiter deren Arbeitskammergrösse trotz des Drehkolbenprinzips in grösseren Ausmassen ^" variierbar ist, also höhere Kompressionen ermöglicht. Ein weiterer Zweck dieser Drehkolbenmaschine ist es, im Falle einer Anwendung als Verbrennungsmotor höhere Drehzahlen und eine geringere Vibration zu erreichen, sowie optimale thermodynamische Wirkungsgrade. [0005] Die Aufgabe wird gelöst von einer Drehkolbenmaschine, bestehend aus einem Gehäuse und darin an mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Achsen drehenden, ineinander kämmenden Arbeitsrädern in Form mindestens eines Kolbenrades und mindestens eines Kammerrades, deren gegenläufige Drehungen über die Achsen miteinander synchronisiert sind, sodass sich zwischen den Arbeitsräderri periodisch eine sich verkleinernde und dann wieder vergrössemde Arbeitskammer bildet.

[0006] In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele einer solchen Drehkolbenmaschine gezeigt und anhand dieser Zeichnungen werden diese Drehkolbenmaschinen nachfolgend im einzelnen beschrieben, und ihre Funktion wird erläutert und erklärt.

Es zeigt:

Figur 1 : Eine einfachste Ausführung der Drehkolbenmaschine mit zwei Arbeitsrädern in einem Schnitt dargestellt;

Figur 2 : Die Drehkoibenmaschinen nach Figur 1 in einem Schnitt iängs der Linie A-A in Figur 1;

Figur 3 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor in der Ansaugphase;

Figur 4 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor am Anfang der Komprimierungsphase;

Figur 5 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor in der Komprimierungsphase;

Figur 6 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor im Moment der höchsten Kompression und bei der Zündung des Verbrennungsgemisches und zu Beginn der Arbeitsphase;

Figur 7 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor in der Arbeitsphase; Figur 8 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor in der Ausstossphase;

Figur 9 : Die Drehkol enmaschine nach Figur 1 als Verbrennungsmotor in der Phase des Spülens der Arbeitskammer bzw. Brennkammer und deren erneuten Befüllens;

Figur 10 : Eine schematische Darstellung der Arbeitsräder der Drehkolbenmaschine nach Figur 1 zur geometrischen Erläuterung der Kurvenformen an den Arbeitsrädern;

Figur 11 : Eine alternative Ausführung der Drehkolbenmaschine mit anders gestalteten Arbeitsrädern in einem Schnitt dargestellt;

Figur 12 : Die Drehkolbenmaschine nach Figur 11 in einem Schnitt längs der Linie B-B in Figur 11 ;

Figur 13 : Das in der Drehkolbenmaschine nach Figur 11 linke Arbeitsrad bzw. Kolbenrad gesondert von der Seite gesehen dargestellt, mit Ein- und Auslasskanälen;

Figur 14 : Das in der Drehkolbenmaschine nach Figur 11 linke Arbeitsoder Kolben rad gesondert von oben gesehen in einem Schnitt längs der Linie C-C in Figur 13 dargestellt;

Figur 15 : Die Arbeitsräder einer weiteren Alternative der Drehkolbenmaschine, wobei das Kolbenrad drei Kolben formt und das Kammerrad sechs Kammern;

Figur 16 : Eine Ausführung der Drehkolbenmaschine mit drei Arbeitsrädern, nämlich einem zentralen Kammerrad und zwei seitlich angeordneten Kolbenrädern; Figur 17 : Eine Ausführung der Drehkolbenmaschine mit vier Arbeitsrädern, nämlich einem zentralen Kammerrad und drei um seinen Umfang herum angeordneten Kolbenrädern;

Figur 18 : Eine Ausführung der Drehkolbenmaschine als Hybridmotor.

[0007] Die Drehkolbenmaschine besteht in jedem Fall aus einem Gehäuse, in dessen Innerem mindestens zwei sich drehende Einheiten angeordnet sind, die als Arbeitsräder wirken. Diese drehen auf zwei voneinander beabstandeten Drehachsen am Gehäuse, wobei diese Drehachsen parallel zueinander verlaufen. Die beiden Arbeitsräder drehen vorzugsweise mit unterschiedlichen Drehzahlen in zueinander entgegengesetzter Richtung und greifen in solcher Weise kämmend ineinander ein, dass sie sich in jeder Position berühren, wodurch zwischen ihnen und zeitweise dem Gehäuse jeweils eine geschlossene Arbeitskammer gebildet wird. Das eine Arbeitsrad wirkt dabei als Koibenrad und bildet einen Drehkolben, während das andere ein Kammerrad bildet, mit Kammern, in welche die Kolben des Kolbenrades eingreifen. Sowohl das Kolben- als auch das Kammerrad können Leistungsteile bilden, während das Gehäuse als stationäres Sperrteil wirkt. Eines der drehenden Arbeitsräder ist auf der Abtriebswelle angebracht und setzt im Falle einer Ausführung der Drehkolbenmaschine als Verbrennungsmotor die Expansion der Verbrennungsgase in direktester Weise in eine zentrische Drehbewegung um. Ein alifälliges Drehmoment des Kammerrades wird mit Hilfe von Synchronisationsmitteln auf die Abtriebswelle übertragen. Dabei kann es sich etwa um Zahnräder handeln, wobei diese gleichzeitig die richtige Position der Arbeitsräder zueinander aufzwingen. Anstelle von Zahnrädern sind Zahnriemen denkbar, oder eine Rollenkette.

[0008] Die Drehkolbenmaschine wird zunächst anhand der Figur 1 als Verbrennungsmotor mit zwei Arbeitsrädern 1 ,2 beschrieben, nämlich mit dem links im Bild dargestellten Kolbenrad 1 und dem hier rechts davon angeordneten Kammerrad 2. Dieser Verbrennungsmotor besteht weiter aus einem Gehäuse 3, welches aus einem Block mit mindestens zwei einander überlappenden zylindrischen Aussparungen 4,5 besteht, und einen hier nicht sichtbaren Boden und Deckel aufweist. Diese Teile, das heisst der Boden und Deckel, werden in der Figur 1 von vorne und hinten auf den Gehäuseblock 3 verbaut. Die beiden Arbeitsräder 1 ,2, nämlich das Kolben- 1 und Kammerrad 2, drehen mit unterschiedlicher Drehzahl in zueinander entgegengesetzter Richtung und sie greifen deshalb so ineinander ein, dass sie in jeder Position einander berühren und so zwischen sich eine geschlossene Arbeitskammer bilden. Zwischen den Arbeitsrädern 1 ,2 und dem Gehäuse 3 werden weitere sich bewegende Aufnahmekammern gebildet. In den Aussparungen 4,5 befinden sich also mindestens ein Kolbenrad 1 und mindestens ein Kammerrad 2 als Arbeitsräder 1 ,2, die bei der gegenläufigen Drehung zueinander ineinanderkämmen und deren Drehachsen 6,7 parallel zueinander verlaufend angeordnet sind und mit den Achsen der zylindrischen Aussparungen 4,5 zusammenfallen. Das Kolben- 1 und das Kammerrad 2 sind so geformt, dass in jeder Stellung mindestens eine äussere Kante 8 oder die äussere Umfangsfläche 9 des Kammerrades 2 das Kolbenrad 1 berührt und dadurch zusammen mit dem Gehäuse 3 eine geschlossene, im Volumen veränderliche Arbeitskammer 10 gebildet wird, und hier im Falle eines Verbrennungsmotors entsprechend eine Brennkammer 10 gebildet wird. Das Kolben- 1 und das Kammerrad 2 drehen in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen und dabei vorzugsweise mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen. Der Arbeitsraum 10 "wandert" dabei zwischen den Achsen 6,7 bzw. Wellen des Kolbenrades 1 und des Kammerrades 2 hindurch und weist in der Position zwischen den beiden Achsen 6,7 das geringste Volumen auf und - zumindest bei der hier gezeigten Bauart - gleichzeitig eine bezüglich der Spiegelebene, die definiert ist durch die Verbindungsebene der beiden Achsen 6,7, eine symmetrische Form, sodass also die Drehbewegung in der Figur einen Totpunkt überstreicht. Die Expansion der Verbrennungsgase setzt das Kolben- 1 und das Kammerrad 2 in zueinander entgegengesetzter Drehrichtung in Bewegung, wie mit den Pfeilen eingezeichnet. Eine der Wellen 6,7 bildet gleichzeitig die Arbeitswelle oder Abtriebswelle, hier vorzugsweise die Welle 6 des Kolbenrades 1.

[0009] Die Figur 2 zeigt die Drehkolbenmaschine nach Figur 1 in einem Schnitt längs der Linie A-A in Figur 1. Man erkennt in dieser Darstellung den Deckel 11 und den Boden 12, welche den Gehäuseblock 3 dichtend verschliessen, wobei die Wellen 6,7 durch diesen Deckel 11 und Boden 12 hindurchgeführt sind. Die Laufachse oder Welle 7 des anderen Arbeitsrades, hier des Kammerrades 2, ist über Zahnräder 15,16 mit der Welle 6 des Kolbenrades 1 verbunden, die sowohl das Drehmoment der Kolbenradwelle 6 auf die andere Welle 7 übertragen und zweitens die exakte Position des Kolben- 1 und des Kammerrades 2 zueinander aufzwingen. Die Grosse der Zahnräder 15,16, das heisst die Anzahl der Zähne auf den Zahnrädern 15,16, muss umgekehrt proportional zum Verhältnis der Umdrehungszahlen des Kolben- 1 und Kammerrades 2 sein. Im hier gezeigten Beispiel nach den Figuren 1 und 2 dreht also das Kolbenrad 1 mit doppelter Umdrehungszahl wie das Kammerrad 2. Das Kolbenrad 1 bildet hier ja wie aus Figur 1 ersichtlich zwei einander gegenüberliegende Kolben 17,18, die im Zuge des gegeneinander Drehens der beiden Arbeitsräder 1 ,2 in die vier um den Umfang verteilt angeordneten Kammern 19-22 am Kammerrad 2 eingreifen.

[0010] Je nach verwendetem Treibstoff sind Zündvorrichtungen in Form von zum Beispiel Zünd- oder Glühkerzen 13 oder einer Laserzündung erforderlich. Diese werden im Gehäuseboden 12 und/oder Gehäusedeckel 11 derart angebracht, dass sie zum Zeitpunkt der grössten Verdichtung, das heisst bei kleinstem Kammervolumen, in das Innere der Brennkammer wirken. Durch geeignete Öffnungen 23 und 24 im Gehäuseblock, die in Figur 1 ersichtlich sind, wird Frischluft oder Luft-Treibstoffgemisch eingelassen, während durch weitere Öffnungen 25,26 im Gehäuse 3 die Abgase ausgestossen werden. Das Befüllen und Entleeren der Brennkammer kann nach dem Zweitakt- oder nach dem Viertaktprinzip erfolgen. Für den Zweitaktbetrieb empfiehlt sich eine Druckbelüftung, beispielsweise mit Hilfe eines Druckwellenladers, wozu etwa auf das bekannte Comprex-System zurückgegriffen werden kann. Durch geeignet angeordnete Öffnungen 23,24 im Gehäuseblock 3 kann erreicht werden, dass durch die zugeführte Druckluft auch die Abgase aus der Arbeitskammer gespült werden. Für den Zweitaktbetrieb ist mit Vorteil eine Direkteinspritzung des Kraftstoffs in den Brennraum 10 mittels einer entsprechenden Einspritzdüse 14 geeignet, wobei die Einspritzdüse 14 wie auch die Zündkerze 13 durch eine entsprechende Öffnung im Gehäuseboden 12 und/oder -deckel 11 eingeführt ist. [0011] Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Zweitakt-Explosionsmotor mit einem Kolbenrad 1 mit zwei Kolben 17,18 und ein Kammerrad 2 mit vier Kammern 19-22 verwendet, womit ein 4:2-Motor realisiert wird. Das Verhältnis der Umdrehungszahlen von Kolbenrad 1 : Kammerrad 2 beträgt in diesem Fall 4 : 2. Der Motorgehäuseblock 3, der Gehäuseboden 12 und -deckel 11 , sowie die Arbeitsräder 1 ,2 mit deren Wellen 6,7 bestehen aus einem harten, hitzebeständigen Material, vorzugsweise Metall oder Keramik. Der Motorgehäuseblock 3 weist zwei sich überlappende, hohlzylindrische Aussparungen 4,5 auf, derart, dass der Abstand der Mittelpunkte der Achsen bzw. Wellen 6 und 7 zueinander mindestens das 1.5-fache des Radius R beträgt, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Radien R der beiden zylindrischen Aussparungen 4,5 gleich gewählt sind, was aber nicht zwingend ist.

[0012] Der Gehäuseboden 12 und der Deckei 11 werden mit dem Gehäuseblock 3 verschraubt und vorzugsweise mit Dichtungen versehen. Im Bereich der Kammern/Kolben müssen der Deckel 1 1 und der Boden 12 flach sein, damit die Dichtheit der Brennkammer gewährleistet ist. Der Deckel 11 und der Boden 12 sind mit Bohrungen für die Wellen 6 und 7 versehen, deren Achsen in den Mittelpunkten Mi und M₂ der durch die Radien R gebildeten Kreise liegen. Ausserhalb des Gehäusedeckels 11 sind die Zahnräder 15,16 auf den Wellen 6,7 angebracht, die den unterschiedlichen Drehzahlen der Arbeitsräder 1 ,2 Rechnung tragen. Bei der dargestellten Ausführungsform sitzt auf der Welle 6 des Kolbenrades 1 ein Zahnrad 15, dessen Durchmesser und Anzahl Zähne 2/4 bzw. VT. so gross ist wie beim Zahnrad 16 auf der Welle 7 des Kammerrades 2. Die Spalten bzw. Schnittflächen zwischen Gehäusedeckel 11 , Gehäuse 3 und Gehäuseboden 12 sowie den Seitenflächen der Arbeitsräder 1 ,2 und die Lager der Wellen 6,7 können beispielsweise mit Labyrinthdichtungen abgedichtet werden. Vorteilhaft ist auch die Beschichtung dieser Teile mit amorphen Materialien, besonders an den Reibungsflächen, um einen schmiermittelfreien Betrieb zu ermöglichen. Es versteht sich, dass für den Betrieb als Motor das Gehäuse 3 und/oder die Arbeitsräder 1 ,2 mit Vorrichtungen zur Kühlung ausgestattet sind, namentlich mit Kühlrippen am Gehäuse 3 und/oder Bohrungen am Gehäuse 3 oder an den drehenden Arbeitsrädern 1 ,2, für eine Kühlung mittels Flüssigkeiten.

[0013] In den Figuren 3 bis 9 werden die einzelnen Phasen im Betrieb dieses Drehkolbenmotors gezeigt und nachfolgend beschrieben. Zunächst zeigt die Figur 3 den Drehkolbenmotor gegen Ende der Ansaugphase. Das Kolbenrad 1 dreht hier im Uhrzeigersinn, während das über die beiden parallelen Wellen 6,7 dazu synchronisierte Kammerrad 2 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Das Kolbenrad 1 hat mit seinem einen Kolben 18 bereits die Einlassöffnung 23 überstrichen und hat seither Gemisch oder reine Luft durch diese Öffnung 23 aufgenommen, das heisst angesaugt oder das Gas wurde eingepumpt. Der Inhalt der hinter dem drehenden Kolben 18 gebildeten Kammer ist mit Punkten angedeutet. In gleicher Weise drehte das Kammerrad 2 im Gegenuhrzeigersinn an der Einlassöffnung 24 vorbei, jedoch mit bloss halber Drehzahl, und nahm die Gasmenge in Kammer 19 mit, die hier auch mit Punkten angedeutet ist. Aus dieser Situation heraus drehen die beiden Arbeitsräder 1 ,2 weiter, das Kolbenrad 1 im Uhrzeigersinn und das Kammerrad 2 im Gegenuhrzeigersinn und dazu mit halber Umdrehungsgeschwindigkeit.

[0014] In Figur 4 erkennt man, dass nun die Kammern vor dem Kolben 17 des Kolbenrades 1 und die Kammer 19 des Kammerrades 2 miteinander kommunizieren und die beiden von ihnen eingeschlossenen Gasmengen sich vereinigen. In Figur 5 ist die Situation nach einem weiteren Drehen der Arbeitsräder 1 ,2 gezeigt. Jetzt ist die vereinigte Gasmenge vom Kolben 17 des Kolbenrades 1 im wesentlichen in der Kammer 19 zwischen dem Gehäuse 3 und dem Kammerrad 2 dichtend eingeschlossen. Die beiden Räder 1 ,2 drehen gegenläufig weiter und verschieben die Gasmenge unter einer beträchtlichen Verdichtung genau zwischen sich, sodass sie sich zwischen den beiden Wellen 6,7 befindet, wie das in Figur 6 ersichtlich ist. Jetzt ist der Zeitpunkt für die Zündung erreicht. Diese wird ausgelöst und sogleich läuft die Verbrennung ab, unter Expansion der Verbrennungsgase. Wie man in Figu r 7 erkennt, wirken die expandierenden Gase hoch effizient auf die Seitenwand des Kolbens 17 des Kolbenrades 1. Diese Seitenwand steht im allgemeinen parallel zu jener Radialen des Kolbenrades 1 , die mitten durch den Kolben 17 verläuft, sodass also von den auf diese Seitenwand wirkenden Gasen in effizienter Weise ein Drehmoment am Kolbenrad 1 erzeugt wird. Die Phase seit der Zündung und jetzt mit der Figur 7 dargestellt bildet die Arbeitsphase dieses Drehkolbenmotors. Bei weiterer Drehung der Arbeitsräder 1 ,2 stellt sich die Situation wie in Figur 8 gezeigt ein. Es beginnt hier die Ausstoss-Phase, indem die verbrannten Gase von den beiden Arbeitsrädern 1 ,2, nämlich vom Kolbenrad 1 einerseits durch die Auslassöffnung 25 und vom Kammerrad 2 andrerseits durch die Auslassöffnung 26 nach aussen gestossen werden. Drehen die Arbeitsräder 1 ,2 weiter, so wird die Situation nach Figur 9 erreicht. Hier erfolgt jeweils eine Spülung der betrachteten Kammern. Auf der Seite des Kolbenrades 1 strömt durch die Einlassöffnung 23 frisches Gas oder Luft in die Kammer, während die verbrannten Restgase durch die Auslassöffnung 25 ausgestossen werden. Auf der Seite des Kammerrades 2 strömt frisches Gas oder Luft durch die Einlassöffnung 24 und die verbrannten Restgase entweichen durch die Auslassöffnung 26.

[0015] Von besonderer Relevanz ist die geometrische Form der Kolben auf dem Kolbenrad 1 sowie der Kammern im Kammerrad 2. Die Figur 10 zeigt hierzu eine schematische Darstellung der Arbeitsräder 1 ,2 der Drehkolbenmaschine nach Figur 1 zur geometrischen Erläuterung der Kurvenformen an den Arbeitsrädern. Die Form der Kolben 17,18 des Kolbenrades erhält man durch Abfahren eines Kreispunktes P am äusseren Rand des Kammerrades 2 auf dem Kolbenrad 1 unter Berücksichtigung der Umdrehungszahlen im Verhältnis 4:2. Das heisst, man stelle sich eine drehende Scheibe Si mit Mittelpunkt Mi vor und eine zweite, mit halber Umdrehungszahl gegenläufig drehende Scheibe S₂ mit Mittelpunkt M₂ und zeichne auf dem ersten Scheibenrad die Kurve c-_t, die der Punkt P auf dem äusseren Randbereich des zweiten Scheibenrades S₂ beschreibt. Die Kurve c₂ verläuft spiegelsymmetrisch zur Kurve ci. Die Winkel für eine geeignete Ausführungsform sind in der Figur 10 angegeben. Die Form des Kammerrades 2 ist hingegen weniger kritisch. Die Kammern sind mit Vorteil etwas grösser zu wählen als die entsprechende Kurve c₃ sowie spiegelsymmetrisch dazu die Kurve c , die man durch Abfahren eines Kreispunktes T des äusseren Randes des Kolbenrades 1 auf dem Kammerrad 2 erhält, ebenfalls unter Berücksichtigung der Umdrehungszahlen im Verhältnis 4: 2. Eine geeignete, willkürlich gewählte Form der Kammern ist in der Figur 10 mit C₅ bezeichnet. Eine noch andere Ausführungsform besteht darin, dass man die senkrechten Flächen des Kammerrades 2, die hier also senkrecht zur Blattebene verlaufen und den Kurven c₃ und c₄ folgen können, innerhalb der Kammern aushöhlt.

[0016] In Figur 11 ist eine alternative Ausführung der Drehkolbenmaschine mit anders gestalteten Arbeitsrädern 1 ,2 in einem Schnitt dargestellt. Hier bildet das Kolbenrad 1 zwei einander gegenüberliegende Kolben 17,18 wie gehabt, jedoch mit anderer Kolbenform bzw. Aussenkontur, das Kammerrad 2 hingegen bildet fünf um seinen Umfang verteilt angeordnete Kammern. In diesem Fall beträgt der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Wellen 6,7 mindestens das 1.4-fache des Radius R der zylindrischen Ausnehmungen im Gehäuse 3. In dieser Ausführung fehlen Ein- und Auslassöffnungen im Gehäuseblock 3. An deren Stelle treten Öffnungen im Gehäuseboden und -deckel, wobei der Gasfluss dann parallel zu den Wellen 6,7 erfolgt. Bei einer vollen Kolbenradumdrehung erfährt jeder Raum zwischen den beiden Kolben und der Gehäusewandung zwei abwechselnde Vergrösserungen und Verkleinerungen, was für einen Viertaktprozess ausgenutzt werden kann. Die Ein- und Auslasskanäle 27,28 befinden sich im einen Kolben 17 des Kolbenrades 1 und werden von diesem selbst im richtigen Zeitpunkt geöffnet und geschlossen, während der andere Kolben 18 keine solchen Kanäle aufweist. Der Kolben 17 wirkt bei der Rotation des Kolbenrades 1 für das Ein- und Auslassen der Gase, während der Kolben 18 zum Komprimieren und Arbeiten dient. Dies ermöglicht einen Viertaktbetrieb ohne Ventile, das heisst ohne zusätzliche bewegliche Teile. Für die Realisierung eines solchen Viertaktbetriebes müssen in jedem Fall eine gerade Anzahl Kolben und eine ungerade Anzahl Kammern vorhanden sein. Die Zufuhr von Kraftstoff kann über einen Vergaser, eine Einspritzanlage oder via Direkteinspritzung in den Brennraum erfolgen. Andere Bauweisen für den Viertaktbetrieb lassen sich auch mit zusätzlichen Ein- und Auslassventilen im Gehäuseblock und/oder Deckel und/oder Boden verwirklichen.

[0017] In Figur 12 ist dieser Drehkolbenmotor nach Figur 11 in einem Schnitt längs der Linie B-B in Figur 11 gezeigt. Man erkennt die Ausbuchtungen 31 ,32 im Gehäusedeckel 11 sowie im Gehäuseboden 12, deren Inneres beim Überstreichen durch den Kolben 17 mit den Mündungen 29,30 der im Kolben vorhandenen Ein- und Auslasskanäle 27,28 kommunizieren. Von den Ausbuchtungen 31 ,32 wird je ein Hohlraum 35,36 gebildet, durch den das Luft- Brennstoff-Gemisch oder bei Direkteinspritzung die Luft in die Einlassbohrung 28 einströmen kann, bzw. in den die Abgase aus der Auslassbohrung 27 des Kolbens 17 ausströmen können. Hierzu dienen die Ein- und Auslassöffnungen 33,34 in den Ausbuchtungen 31 ,32. Bei der dargestellten Ausführungsform wird ein Viertaktmotor mit einem Kolbenrad 1 mit zwei Kolben 17,18 und ein Kammerrad 2 mit fünf Kammern verwendet (5:2-Motor). Das Verhältnis der Umdrehungszahlen von Kolben rad 1 : Kammerrad 2 beträgt in diesem Fall 5 : 2. Das Motorgehäuse 3 weist zwei sich überlappende hohlzylindrische Aussparungen 4,5 auf, derart, dass der Abstand der Mittelpunkte Mi und M₂ zueinander mindestens das 1.4-fache des Radius R beträgt, wobei in der dargestellten Ausführungsform die Radien R der beiden zylindrischen Aussparungen 4,5 wiederum gleich gewählt sind, was aber nicht zwingend ist. Die Form des Kolbenrades 1 erhält man durch Abfahren eines Kreispunktes des Kammerrades 2 auf dem Kolbenrad 1 unter Berücksichtigung der Umdrehungszahlen im Verhältnis 5:2. Die Form des Kammerrades 2 ist auch bei dieser Ausführung weniger kritisch. Die Kammern müssen etwas grösser sein als die entsprechende Kurve, die man durch Abfahren eines Kreispunktes des Kolbenrades 1 auf dem Kammerrad 2 erhält, ebenfalls unter Berücksichtigung der Umdrehungszahlen im Verhältnis 5:2.

[0018] Die Figur 13 zeigt das in der Drehkolbenmaschine nach Figur 11 und 12 linke Arbeitsrad 1 gesondert gesehen dargestellt, mit Einlasskanal 28 und Auslasskanal 27. Der Einlasskanal 28 mündet seitlich am Kolben 17 und von der hier unten angeordneten Mündung 30 her kann hier Gas einströmen. Der Auslasskanal 27 mündet auf der anderen Seite des Kolbens 17 und seine Mündung 29 führt hier auf der Oberseite des Kolbens 17 nach aussen. In der Schnittzeichnung nach Figur 14 sieht man das Kolbenrad 1 von oben gesehen in einem Schnitt längs der Linie C-C in Figur 13 dargestellt und somit bloss den Einlasskanal 28 und seine Mündung 30, während die in Figur 13 obere Hälfte des Kolbenrades 1 mit dem Auslasskanal 27 und seiner Mündung 29 weggeschnitten ist.

[0019] Die Figur 15 zeigt eine weitere alternative Anordnung. Das Kolbenrad 1 bildet drei Kolben und das Kammerrad 2 sechs Kammern. Die wesentlichen bestimmenden Winkelmasse sind eingetragen. Weil das Kolbenrad 1 halb so viele Kolben bildet wie das Kammerrad 2 Kammern aufweist, ergibt sich daraus, dass es doppelt so schnell drehen muss wie das Kammerrad 2.

[0020] Die Figur 16 zeigt eine Ausführung der Drehkolbenmaschine mit insgesamt drei Arbeitsrädern 1 ,2,1 , nämlich einem zentralen Kammerrad 2 und zwei seitlich angeordneten Kolbenrädern 1. Die Wellen 6, auf denen die Kolbenräder 1 angeordnet sind, übertragen die mechanische Arbeit auf die zentrale Welle 7, auf welcher das Kammerrad 2 sitzt, sodass eine einzige Abtriebswelle vorhanden ist, welche die Arbeit beider Kolben radwellen 6 aufnimmt. Die dargestellte Anordnung ist primär für die Realisierung eines 2-Takt-Verfahrens geeignet.

[0021] In Figur 17 ist eine Ausführung der Drehkolbenmaschine mit vier Arbeitsrädern 1 ,1 ,1 ,2 gezeigt, nämlich einem zentralen Kammerrad 2 und drei um seinen Umfang herum angeordneten Kolbenrädern 1. Eine solche Anordnung erlaubt es, in kompaktester Weise die Arbeit von drei Kolbenrädern 1 auf eine einzige Abtriebswelle zu übertragen, nämlich auf die Welle, auf welcher das Kammerrad 2 sitzt. Die dargestellte Anordnung ist primär für die Realisierung eines 4-Takt-Verfahrens geeignet.

[0022] Diese hier im Grundprinzip offenbarte Drehkolbenmaschine kann in vielerlei Ausführungen realisiert werden. So kann sie etwa als Hybridmotor ausgeführt sein, wie etwa in Figur 18 dargestellt, indem eine Welle als Antrieb für einen Generator wirkt und die andere Welle mechanische Arbeit leistet. Das kann zum Beispiel so realisiert sein, dass eines der Arbeitsräder mit Magneten 37 bestückt ist und in das zugehörige Gehäuse Magnetspulen 38 eingebaut sind, sodass diese bei Drehung des Arbeitsrades von den Magneten überstrichen werden. Als Alternative kann aber das eine Arbeitsrad mit seiner Welle auch einen externen Generator antreiben. In einer weiteren Variante kann sie als Stirling- oder Dampfmaschine eingesetzt werden. Im Fall einer Stirlingmaschine ist das Gehäuse 3 geschlossen und somit die Gasmenge in seinem Innern stets die gleiche. Es werden dabei Mittel für eine konstante Zu- und Abfuhr von Wärme eingesetzt. Im Fall einer Dampfmaschine wird Dampf über ein Ventil in die Arbeitskammer eingelassen. Schliesslich ist die Maschine nicht nur als Motor, sondern auch als Gaspumpe einsetzbar. Dabei wird die Welle 6 oder 7 in Figur 1 als Antriebswelle eingesetzt, und die Gehäuseöffnung 25, geeignet angeordnet, wirkt dann als Ansaugstutzen und die Gehäuseöffnung 23, ebenfalls geeignet angeordnet, als Pumpstutzen.

[0023] Die Vorteile dieser Drehkolbenmaschine sind in der Ausführung als Motor vor allem die kompaktere Bauweise der Konstruktion mit weniger beweglichen Teilen und die Tatsache, dass aus den expandierenden Gasen in direktester Weise eine zentrische Drehbewegung erzeugt wird. Beim herkömmlichen Hubkolbenmotor wird primär eine Hin- und Her- bzw. Auf- und Abbewegung erzeugt, was jedesmal einen Energieaufwand zum Beschleunigen und Abbremsen der Kolben bedeutet und unerwünschte Vibrationen erzeugt. Gegenüber dem Wankelmotor liegen die Vorteile darin, dass keine exzentrische Drehbewegung erzeugt wird und die periodisch veränderlichen Brennkammern weit mehr Volumenänderung und somit bessere Verd ichtungsverhältnisse zulassen, was auch den Betrieb mit Dieseltreibstoff ermöglicht.

Claims

Patentansprüche

1. Drehkolbenmaschine, bestehend aus einem Gehäuse (3) und darin an mindestens zwei parallel zueinander verlaufenden Achsen (6,7) drehende, ineinander kämmende Arbeitsräder (1 ,2) in Form mindestens eines Kolbenrades (1) und mindestens eines Kammerrades (2), deren gegenläufige Drehungen über die Achsen (6,7) miteinander synchronisiert sind, sodass sich zwischen den Arbeitsrädern (1 ,2) periodisch eine sich verkleinernde und dann wieder vergrössemde Arbeitskammer bildet.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 zur Erzeugung von mechanischer Drehbewegung aus expandierenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei ineinanderkämmende gegenläufig drehende Arbeitsräder (1 ,2) in einem festen Gehäuse (3) auf parallelen Laufachsen (6,7) angebracht sind, wobei eines der Arbeitsräder (1 ,2) als Kolbenrad (1) wirkt und das andere als Kammerrad (2) und sie so geformt sind, dass sie sich in jeder Winkelstellung berühren und mit dem Gehäuse (3) geschlossene Arbeitskammem bilden, wobei die Arbeitsräder (1 ,2) fest mit den Wellen (6,7) verbunden sind, und indem ausserhalb des Gehäuses (3) auf den Wellen (6,7) Mittel in Form von fest angebrachten Zahnrädern (15,16), von Zahnriemenrädern mit Zahnriemen oder von Kettenrädern mit Rollenketten den mit unterschiedlichen Umdrehungszahlen rotierenden und unterschiedlich geformten Arbeitsrädern (1 ,2) die korrekte Position zueinander aufzwingen und deren Arbeitskraft auf die jeweils andere Welle übertragen, wobei wahlweise eine beliebige Welle (6,7) als Abtriebswelle wählbar ist, sowie dass im Gehäuse (3) und/oder Deckel (11 ) oder Boden (12) oder an den Wellen (6,7) Öffnungen (23-26;33,34) für den Gasaustausch vorhanden sind, sowie eine Zündvorrichtung (13) und Einspritzvorrichtung (14) oder ein Vergaser für die Beschickung der Arbeitskammer vorhanden ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 2 zur Erzeugung von mechanischer Drehbewegung aus expandierenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündvorrichtung (13) aus mindestens einer Zündkerze, Glühkerze oder einem Laser besteht, und dass die Einspritzvorrichtung (14) eine Direkteinspritzdüse oder eine indirekte Einspritzung einschliesst, und dass das Gehäuse (3) der Drehkolbenmaschine und/oder deren Arbeitsräder (1 ,2) mit Vorrichtungen zur Kühlung ausgestattet sind, namentlich mit Kühlrippen am Gehäuse (3) und/oder Bohrungen am Gehäuse (3) oder an den drehenden Arbeitsrädern (1 ,2), für eine Kühlung mittels Flüssigkeiten.

4. Drehkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mehr als zwei Arbeitsräder (1 ,2) einschliesst, wobei die Kolben- (1) und/oder Kammerräder (2) umeinander angeordnet sind und/oder hintereinander, das heisst mit ihren Stirnseiten nebeneinander angeordnet sind.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammerräder (2) an den äusseren Kanten (8) und/oder Flächen (9), wo die Berührung mit den Kolbenrädern (1) und dem Gehäuse (3) stattfindet, mit Dichtungen versehen sind, wobei die Dichtungen vorzugsweise aus amorphen Dichtungsleisten bestehen, und dass die Arbeitsräder (1,2) mit Dichtungen, zum Beispiel Labyrinthdichtungen versehen sind, um das Austreten von Gasen zwischen Arbeitsrädern (1 ,2) und Gehäuse (3) einerseits und zwischen den Wellen (6,7) und dem Gehäuse (3) bzw. Boden oder Deckel andrerseits zu verhindern.

6. Drehkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer in der Ansaugphase mittels eines Druckwellenladers (Comprex) aufladbar ist, und die Verbrennung mittels einer Direkteinspritzung von Treibstoff in die Arbeitskammer (10) einleitbar ist.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kammerrad (2) eine ungerade Anzahl Kammern aufweist und das Kolbenrad (1) eine gerade Anzahl Kolben (17,18), wobei der eine Kolben Bohrungen (27,28) zum Ein- und Auslassen der Gase für einen 4-Takt-Betrieb aufweist, indem die ein- bzw. austretenden Gase durch die Laufwelle (6) leitbar sind oder durch Öffnungen zur Steuerung der Ein- und Auslasszeiten nahe der Welle (6) im Gehäuseboden (12) und -deckel (11 ), indem dort eine Ausbuchtung (31 ,32) des Bodens (12) und des Deckels (11) mit je einer Öffnung (33,34) vorhanden ist.

8. Drehkolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er als Hybridmotor ausgeführt ist, indem eine der Wellen (6,7) als Antrieb für einen Generator wirkt, der entweder aussen an die Welle angeschlossen ist, oder realisiert ist, indem mindestens ein Arbeitsrad Magneten (37) trägt und am Gehäuse elektrische Magnetspulen (38) eingebaut sind.

9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 als Stirling- oder Dampfmaschine, wobei im Falle einer Stirlingmaschine das Gehäuse (3) geschlossen ist und somit die Gasmenge in seinem Innern stets die gleiche bleibt, wobei Mittel für . die konstante Zu- und Abfuhr von Wärme vorhanden sind, und dass im Falle einer Dampfmaschine gespannter Dampf über ein Ventil in die Arbeitskammer (10) einleitbar ist.

10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 als Fluidpumpe, wobei die Welle (6) oder (7) als Antriebswelle wirkt, und bei geeigneter Anordnung die Gehäuseöffnung (25) als Ansaugstutzen und die Gehäuseöffnung (23) als Pumpstutzen wirkt.