WO2010051794A2 - Drehkolbenmotor, steuerungssystem zur ansteuerung eines gegenkolbens sowie verfahren zum taktgesteuerten betreiben eines drehkolbenmotors - Google Patents

Drehkolbenmotor, steuerungssystem zur ansteuerung eines gegenkolbens sowie verfahren zum taktgesteuerten betreiben eines drehkolbenmotors Download PDF

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    • F02B53/00—Internal-combustion aspects of rotary-piston or oscillating-piston engines
    • F02B53/02—Methods of operating

Definitions

  • the invention relates to a rotary engine, a control system for controlling an opposed piston in a rotary piston engine and a method for the clock-controlled operation of a rotary piston engine.
  • rotary-piston engines have the property that all rotating components of the engine move in circular paths around a single point.
  • the present invention the object of a rotary engine with the simplest possible structure and a specify associated control system and method for the clock-controlled operation of the rotary piston engine, which ensures high efficiency.
  • the rotary piston engine consists of a motor housing with a housing interior with inlet and outlet, in which a cylindrical rotor is received in a predetermined direction of rotation rotatable about a rotation axis in a concentric to the axis of rotation cylindrical running surface with the lateral surface of the rotor and lateral webs includes at least one annular in cross-section cylinder, and in which at least one rotary piston is arranged on the lateral surface of the rotor.
  • At least one counter-piston is at least partially accommodated in the motor housing and at least the at least one counter-piston in the motor housing or the at least one rotary piston is movably mounted on the rotor, wherein each counter-piston is assigned at least one inlet with inlet valve and at least one outlet.
  • the at least one outlet is hereby arranged in the direction of rotation immediately in front of the counter-piston and the at least one inlet in the direction of rotation is subsequently arranged thereon.
  • the at least one counter-piston is driven by the rotor via a mechanical control system in such a way that the counter-piston follows the contour of the rotary piston protruding from the rotor in contact with it with a minimum distance during its passage.
  • the rotary piston engine has a rotary piston and an opposed piston, wherein the rotary piston and the projecting in certain rotary piston positions in the cylinder part of the counter-piston are approximately identical in shape and arranged in the engine that the remaining space between the rotary piston and the opposite piston is minimized immediately before passing through the rotary piston through the region of the counter-piston.
  • the rotary engine has at least two cylinders, wherein the first cylinder is designed as a pressure cylinder for compressing air and the other cylinder as a working cylinder.
  • the printing cylinder leads to an accumulator device, the at least two Druck FIG. Ignition chambers, compressed air to.
  • the pressure and ignition chambers a fuel-air mixture is generated and caused to explode, wherein the pressure resulting from the explosion via a connecting channel between the pressure and ignition chambers and working cylinder is supplied to the same and generates a rotational movement by the pressure in the working cylinder becomes.
  • a mechanical control system is preferably provided for controlling at least one counter-piston of a rotary piston engine guided in an opposed-piston housing section, via which the opposing piston is lifted out of the cylinder such that the cover or side surfaces of the counter-piston are in the contour of the rotary piston protruding from the rotor in its passage contactless with minimal distance, preferably a distance less than 0.5mm, follow.
  • a method for the clock-controlled operation of a rotary piston engine consisting of a motor housing with a housing interior.
  • the essential aspect of this method is the fact that for dividing the circular in cross-section cylinder into a first and a second cylinder chamber, the opposed piston is radially introduced into the cylinder, in which by rotating the rotary piston (starting from the opposed piston in the direction of rotation via the inlet in the first cylinder space a fuel-air mixture is sucked in and at the same time the exhaust gas located in the second cylinder space from the Vortakt is discharged via the outlet.
  • Another object of the invention is an alternative method for the clock-controlled operation of a rotary piston engine consisting of at least one pressure cylinder and a working cylinder, each comprising at least one motor housing with a housing interior.
  • the essential aspect of the alternative method is to suck in and compress air via the impression cylinder, to supply the compressed air to an accumulator device, to supply fuel to the compressed accumulator in the accumulator device to form a fuel-air mixture, and then into the compressed air Pressure accumulator device, the fuel-air mixture is ignited, wherein the resulting by the explosion pressure is supplied to the working cylinder.
  • Fig. 1 by way of example a perspective view of a one-piece
  • Fig. 2.1 by way of example a perspective sectional view of a
  • Motor housing part of FIG. 2; 3 shows by way of example a frontal plan view of the in
  • Rotor with rotary piston and counter-piston 3 by way of example a perspective view of two mutually juxtaposed motor housing parts with inserted rotor Fig. 4.1 to 4.6 by way of example six frontal plan views of Figure 2, respectively at different rotational positions of the rotor in
  • FIG. 5 by way of example a schematic block diagram of
  • FIG. 6 shows an example of a three-dimensional sectional view of the rotor with attached to the lateral surface of the rotary piston
  • Seals; 7 shows an example of a three-dimensional view of the rotor with at the
  • FIG. 8 shows by way of example a three-dimensional representation of a cam
  • FIG. 1 1 by way of example a three-dimensional representation of a
  • Fig. 12 by way of example a perspective view of a
  • Bevel gear drive mechanism for driving the opposed piston via the control unit
  • Fig. 13 by way of example a perspective view of the control of
  • Figure 1 shows a perspective view of a tubular, one-piece rotor 3 with preferably two firmly on the outer surface 3.1 of the rotor 3 screwed rotary pistons 4, 4 'and one with these rotary pistons 4, 4' cooperating opposed pistons 7, 7 'of a rotary piston engine according to the invention 1.
  • the rotor 3 is in this case arranged concentrically to the axis of rotation RA and rotatably mounted in the motor housing 2 in a predetermined rotational direction DR.
  • Both the two rotary pistons 4, 4 'and the opposed pistons 7, 7' are offset by 180 ° from each other and arranged concentrically about the axis of rotation RA.
  • the rotary pistons 4, 4 'or the opposing pistons 7, 7' are located symmetrically with respect to the axis of rotation RA. This reduces the Imbalance of the rotor 3 and a low-vibration running of the rotary piston engine 1 is ensured.
  • Figure 2 and Figure 2.1 show at least a portion of the motor housing 2 in a perspective overall or sectional view, said part of the motor housing 2 together with the rotor 3 rotatably mounted therein forms a preferably annular in cross-section cylinder 5.
  • a plurality of identical parts of the motor housing 2 may be arranged in series.
  • the part of the motor housing 2 comprises a circular in cross-section, stepped housing interior 2.1 with a cylindrical, concentric with the axis of rotation RA arranged tread 6 with lateral, circumferential ridges 5.3, which project radially inwardly over the tread 6, so that gradations arise.
  • the webs 5.3 in turn have at least one side surface 5.3.1 and 5.3.2 an upper side, wherein the side surface 5.3.1 is approximately perpendicular to the tread 6 and the top 5.3.2 is formed circular and concentric with the axis of rotation RA.
  • the part of the motor housing 2 has at least one counter-piston housing section 12 with a piston guide channel 12.1 for receiving and guiding an opposing piston 7, 7 '.
  • the piston guide channel 12.1 is designed for the radial guidance of the counter-piston 7, 7 'in the counter-piston housing section 12.
  • Figure 3 shows a section through the rotary piston engine 1 according to the invention along a plane perpendicular to the axis of rotation RA cutting plane, and that an end view of the arranged in the motor housing 2 rotor 3 with rotary piston 4 and piston 7, which are accommodated in a piston guide channel 12.1 of the piston housing section 12.
  • the rotor 3 shown in FIG. 1 is designed to form two cylinders 5 which are annular in cross-section provided, ie, a series arrangement of two parts of the motor housing 2 shown in Figure 2, the front side together and connect liquid-tight, preferably screwed, are, so that the respective running surfaces 6 are concentric to the axis of rotation RA come.
  • the rotor 3 is integrally formed and mounted concentrically in the two housing inner spaces 2.1 rotatable about the axis of rotation RA. This results in the housing interior 2.1 each have an annular in cross-section cylinder 5, which is limited in the radial direction by the lateral surface 3.1 of the rotor 3, the tread 6 and in the direction parallel to the rotation axis RA through the mutually facing side surfaces 5.3.1 of the webs 5.3.
  • each rotary piston 4, 4 ' is provided per cylinder 5, which is moved on a path running concentrically about the axis of rotation RA.
  • the rotary piston 4, 4 ' is running contactless with its free end complied with by the lateral surface 3.1, preferably with a minimum distance on the cylindrical running surface 6.
  • the rotary piston 4, 4' closes by means of seals the cylinder 5 both to the tread 6 and to the rotor 3 and to the side surfaces 5.3.1 of the webs 5.3 liquid and / or airtight from, ie the height of the rotary piston 4, 4 'corresponds approximately to the distance between the lateral surface 3.1 of the rotor 3 and the running surface 6 of the motor housing 2 and the depth of the rotary piston 4, 4' corresponds approximately to the distance of the opposite side surfaces 5.3.1 two webs 5.3 a cylinder 5th
  • Opposite piston housing section 12 are assigned at least one inlet 2.2 and at least one outlet 2.3, wherein the at least one outlet 2.3 in the direction of rotation DR immediately before the opposed piston 7, 7 'and the at least one inlet 2.2 are arranged on this subsequently. Furthermore, in the motor housing 2 a Zündvoriquessö réelle 2.4 be provided for receiving an ignition device, which preferably in the on the at least one counter-piston 7, 7 'following 120 ° -Sector comes to rest in the direction of rotation DR. In a preferred embodiment, the at least one inlet 2.2 is provided within a 90 ° sector downstream of the counter-piston 7, 7 'in the direction of rotation DR, preferably directly following the counter-piston 7, 7'.
  • the rotary pistons 4, 4 'and the part of the counter-piston 7, 7' protruding into the cylinder 5 are approximately identical in shape.
  • the rotary piston 4, 4 ' consists of a base surface 4.1 adjoining the lateral surface 3.1 of the rotor 3, a contact surface 4.2 adjoining the running surface 6 with minimal distance and two side surfaces 4.3, 4.4 connecting the base surface 4.1 and the cover surface 4.2.
  • the side surfaces 4.3, 4.4 and the base 4.1 include an acute angle.
  • the counter-piston 7, 7 ' has due to its approximate uniformity of shape to the rotary piston 4, 4' a top surface 7.1 and two side surfaces 7.2, 7.3, wherein the enclosed by the side surfaces 7.2, 7.3 and the top surface 7.1 angles are each obtuse. This leads both in the case of the counter-piston 7, 7 'and the rotary piston 4, 4' to an approximately trapezoidal cross-section.
  • the counter-piston 7, 7 ' Upon rotation of the rotor 3 in the direction of rotation DR, the counter-piston 7, 7 'is lifted out of the cylinder 5 in such a way that a non-contact passage of the rotary piston 4, 4' takes place in the fastening region of the counter-piston 7, 7 '.
  • the counter-piston 7, 7 ' is lifted out of the cylinder 5 such that the cover 7.1 or side surfaces 7.2, 7.3 of the counter-piston 7, 7' of the projecting from the rotor 3 contour of the rotary piston 4, 4 'in its passage contactless and with minimum distance, preferably a distance less than 0.5mm, follow.
  • At least the side surface 4.3, 4.4 of the rotary piston 4, 4 'approaching through the rotation can be slightly convexly curved.
  • the at least one side surface 7.2, 7.3 of the counter-piston 7, 7 ', which approaches the rotary piston 4, 4' by its movement be slightly concave. After the passage of the rotary piston A 1 4 ', the opposing piston 7, 7' nestles with its top surface 7.1 at a minimum distance to the lateral surface 3.1 of the rotor 3.
  • both rotary pistons 4, 4 'and counter-piston 7, T are formed such that the separation by means of the rotary piston 4, 4' and the opposed piston 7, 7 'provided seals preferably liquid and / or air-tight ,
  • this sealing rings 17 are provided, which fit accurately on the tops 5.3.2 of the webs 5.3.
  • FIG. 4.1 a suction effect is generated by the rotary piston 4 rotating in the direction of rotation DR in the first cylinder space 5.a, so that air is sucked in through the inlet 2.2.
  • the second cylinder space 5.b decreases at the same time, which results in the exhaustion of a burned exhaust gas located in the second cylinder space 5.b via the outlet 2.3.
  • the inlet valve is closed at the inlet 2.2, via the fuel supply 9 fuel into the cylinder chamber 5.a fed and brought the fuel-air mixture in the first cylinder chamber 5.a by means of the ignition device to the explosion (see Figure 4.2).
  • the rotary piston engine 1 can have a plurality of cylinders 5 arranged in series, wherein a respective section of the motor housing 2 shown in FIG. 2 is provided per cylinder 5 and the cylindrical running surfaces 6 are each formed concentrically with the axis of rotation RA , On the rotor 3, a plurality of rotary pistons 4, 4 'are provided depending on the desired number of cylinders, wherein the rotary pistons 4, 4' are offset from each other along the axis of rotation RA and at least one respective rotary piston 4, 4 'is received in a cylinder 5.
  • each rotary piston 4, 4 ' alternately rotated by 180 ° to each other on the rotor 3 are arranged.
  • the ignition of the individual cylinders 5 can take place simultaneously or else offset in time.
  • the rotary piston engine 1 comprises at least two cylinders 5, wherein one of the at least two cylinders 5 is designed as a pressure cylinder 5.1 for compressing air and the at least one further cylinder 5 as a working cylinder 5.2.
  • a rotary piston engine 1, separated from the pressure and working cylinders 5.1, 5.2, has at least one pressure storage device 10, which contains at least one first and second pressure or ignition chamber 1.1, 1.2.
  • Figure 5 shows a schematic block diagram for explaining the operation of a rotary piston engine 1 with pressure and working cylinders 5.1, 5.2 and associated pressure storage device 10.
  • the outlet 2.3 of the pressure cylinder 5.1 is connected via a connecting line 18 to the pressure storage device 10, wherein the connecting line 18 via a check valve 19 is connected to the outlet 2.3 of the printing cylinder 5.1.
  • the pressure accumulator device 10 in turn consists of at least a first and second pressure or ignition chamber 1.1, 1.2, which are each coupled to the connecting line 18 via an associated first and second valve 20.1, 20.2 and a common valve 21.
  • the first and second pressure or ignition chambers 1 1.1, 11.2 have a first and second device for fuel supply 23.1, 23.2 in the first and second pressure or ignition chamber 1.1, 1.2 and each one first and second ignition device 24.1, 24.2.
  • the first and second pressure or ignition chamber 1 1.1, 11.2 each with a further valve 22.1, 22.2 coupled to the working cylinder 5.2.
  • the mode of operation of the rotary piston engine 1 with additional pressure storage device 10 will be explained in more detail below with reference to FIG.
  • the pressure cylinder 5.1 and the working cylinder 5.2 are shown side by side in FIG.
  • the realization of the rotary piston engine 1 is, however, as shown in Figure 1, by a common rotor 3.
  • the position of the rotary pistons A 1 4 'and opposed pistons 7, 7' in the pressure cylinder 5.1 and in the working cylinder 5.2 are each offset by 180 ° to each other.
  • the rotor 3 is set in rotary motion by a starter, not shown, known from the prior art, wherein in the pressure cylinder 5.1 through the inlet 2.2 air is sucked into the first cylinder chamber 5.a of the pressure cylinder 5.1.
  • the volume in the second cylinder space 5.b of the pressure cylinder 5.1 is compressed and fed via the outlet 2.3 through the connecting line 18 to the pressure storage device 10.
  • first or second valve 20.1, 20.2 Upon reaching a predefined pressure opens the common valve 21 and the pressure can when opening the first or second valve 20.1, 20.2 in the respective downstream first and second pressure or ignition chamber 1.1, 1.2 reach 1.2. Subsequently, the first or second valve 20.1, 20.2 is closed again. The first and second valves 20.1, 20.2 are alternately opened, namely each valve 20.1, 20.2 once every two revolutions, so that every other revolution of the first and second valve 20.1, 20.2 associated first and second pressure or Ignition chamber 1 1.1, 1 1.2 is pressurized.
  • the resulting in the pressure or ignition chamber 1 1.1, 11.2 by the explosion pressure is supplied via the connecting channel 25 to the working cylinder 5.2, via its inlet 2.2.
  • a force in the direction of rotation DR is exerted on the rotary piston 4 in the working cylinder 5.2.
  • the starter can be switched off.
  • the rotary piston 4 'in the pressure cylinder 5.1 undergoes a force in the direction of rotation DR and further generates pressure, which does not extend via the connecting line 18 and an open first or second valve 20.1, 20.2, that in the previous cycle used first or second pressure or ignition chamber 1 1.1, 1 1.2 is assigned, in this ebendiese pressure or ignition chamber 1.1, 1.2 can propagate 1.2.
  • the region of the counter-piston 7, 7' can in one of the first and second pressure or ignition chamber 1.1, 1.2 by supplying fuel and the subsequent ignition by the first or second igniter 24.1, 24.2 the fuel-air mixture are re-exploded.
  • the second cylinder subspace 5.b of the working cylinder 5.2 is at this time from the previous cycle resulting, burned flue gas, which is ejected by the rotation of the rotary piston 4 through the outlet 2.3 of the working cylinder 5.2.
  • the processes described above are periodically recurring, wherein the period of the processes of the rotational speed of the rotor 3 is dependent.
  • the fuel-air mixture is alternately brought into explosion in one of the first and second pressure or ignition chambers 11.1, 1 1.2, so that in one of the two pressure or ignition chamber 11.1, 1 1.2 only every other revolution of Rotor 3 an explosion occurred.
  • the fuel-air mixture can interact with each other for a longer period of time, resulting in a better mixing and thus a higher efficiency or efficiency of combustion of the rotary piston engine 1 by itself ,
  • such a structured rotary piston engine 1 with gasoline, diesel or gas is operable.
  • Figures 6 and 7 respectively show the rotor 3 with attached to the lateral surface 3.1 rotary pistons 4, 4 'and sealing rings 17, in a three-dimensional sectional view and a perspective overall view, wherein at the end faces of the rotor 3 preferably circular cover 8 with blade-like recesses 8.1 are flanged.
  • a shaft 27 is mounted, which protrudes along the axis of rotation RA from the rotor 3, wherein the axis of rotation RA coincides with the wavelength axis.
  • the shafts 27 serve, on the one hand, for the rotatable mounting of the rotor 3 in the motor housing 2 and, on the other hand, for the dissipation of the kinetic energy transmitted to the rotor 3 by the combustion, for example by means of toothed wheels, belts or chains.
  • movable assemblies such as inlet valve 13, opposed piston 7, 7 ', etc. driven.
  • lids 8 and a tube 26 arranged inside the rotor serves to create a volume-reduced cooling space adjacent to the heat produced by the combustion, namely the first rotor chamber 28 in order to flow through it with a liquid or viscous medium and thus to cool the rotary engine 1. For this reason, the connection of the cover 8 with the rotor 3 and the connection of the tube 26 with just these lids 8 is made liquid-tight.
  • the second rotor chamber 29 is sealed off from the first rotor chamber 28 and does not come into contact with the cooling medium.
  • a cooling medium located in the motor housing 2 in front of the cover 8 is supplied with the bores 8.2 on rotation of the rotor 3 via the blade wheel-like recesses 8.1 and introduced into the first rotor chamber 28 through these bores 8.2.
  • the second cover 8 operates in an opposite manner, ie creates a suction effect on the cooling medium in the first rotor chamber 28 and conveys the cooling medium through the bores 8.2 and blade-like recesses 8.1 out of the first rotor chamber 28.
  • the holes 8.2 are inserted obliquely into the cover 8, so that the introduction of the cooling medium is simplified by the blade-like recesses 8.1 through the holes 8.2 in the first rotor chamber 28.
  • the mounted on the lateral surface 3.1 of the rotor 3 rotary pistons 4, 4 ' also have cooling channels, said cooling channels have a connection to the first rotor chamber 28, for example via provided with an internal bore screws, for fastening the rotary piston 4, 4' on the rotor 3 are provided.
  • the cooling medium flowing through the first rotor chamber 28 can thus also flow through the rotary pistons 4, 4 'and ensure cooling of the latter, the replacement of the cooling medium being actively supported by the centrifugal force. This by the suction effect on the opposite lid. 8 Exiting cooling medium can flow back to the first cover 8 via integrated in the motor housing 2 reflux channels.
  • the motor housing 2 which is acted upon by the combustion process with heat, effectively cooled.
  • cooling circuit In order to avoid overheating of the cooling medium, a well-known from the prior art cooling device is introduced into the cooling circuit, which extracts heat, for example, by a greatly enlarged effective cooling surface of the cooling medium. In addition, this heat can be used for other purposes, such as for heating the fuel or for heating the interior of motor vehicles.
  • each counter-piston 7, 7 'of the rotary piston engine 1 a control unit 40, 40' are assigned, which are driven by rotating shafts 41, with these shafts 41 each at least one cam 42 and at least one, preferably two cam shells 43 are mechanically connected.
  • the shaft 41 is driven by a mechanical operative connection from the rotor 3 and thus sets both cam 42 and cam shells 43 in rotation.
  • the cams 42 and camshells 43 shown in the assembled state in FIGS. 10.1 to 10.6 are shown in a perspective view in FIG. 8 and FIG. 9, respectively.
  • the cam 42 has a substantially circular shape Outer contour 42.1 with a bulge 42.2, wherein the cam 42 is scanned continuously on its outer surface by a bolt 44, ie the bolt 44 follows the shape of the cam 42.
  • the bulge 42.2 is here formed asymmetrically and has a flat or a steep edge.
  • the cam shell 43 shown in FIG. 9 has a milling cut-out on the face side, this milling cut providing a circumferential path for a bolt 45 and this path, with the exception of a radially outwardly projecting bulging region 50, being approximately circular.
  • the width of the milled recess of the cam shell 43 is matched to the diameter of the bolt 45, so that it is made to fit in the milled recess.
  • the bolt 45 is guided between two uniform camshells 43, wherein the front-side milled recesses of the cam shells 43 and the cam shells 43 are mutually congruent and spaced from each other.
  • the inner contour 43.1 and 43.2 outer contour of the cam shell 43 and the guided between inner contour 43.1 and outer contour 43.2 bolts 45 are drawn in dashed lines.
  • the rotation of the shaft 41, the cam 42 and the cam shell 43 is clockwise.
  • the cam 42 and the congruent camshells 43 are slightly offset from each other in their bulges 42.2, 50, i. the bulge 42.2 of the cam 42 leads in the direction of rotation slightly ahead of the bulge region 50 of the cam shells 43.
  • the second spring unit 47 relaxes.
  • the bolt 45 is guided out of the bulge region 50 by the spring unit 46, which is prestressed during lifting, and thus the counter-piston 7, 7 'is returned to the cylinder 5 via the lever mechanism 48 (FIGS ).
  • the interaction of the cam 42 with the cam shell 43 ensures a gentle material overcoming areas of greater slope, especially when entering the bulge region 50, in which the counter-piston 7, 7 'must be quickly lifted from the cylinder 5 to the shape of the rotary piston. 4 4 'to follow with minimal distance.
  • the lever mechanism 48 has a gear ratio generated by different lever arm lengths, which converts a small stroke movement caused by the cam shell 43 into an enlarged stroke movement on the opposing piston 7, 7 '.
  • Figures 12 and 13 show the rotary engine 1 according to the invention in a front and rear view.
  • the valve control is omitted for better illustration.
  • FIG. 12 shows the drive of the control unit 40, 40 'for opposed pistons 7, 7' via a bevel gear mechanism.
  • a fixed to the shaft 27 first bevel gear 60 drives second bevel gears 61 which are articulated at first ends of connecting shafts 64, wherein longitudinal axes of these connecting shafts 64 are perpendicular to the axis of rotation RA.
  • At the second ends of the connecting shafts 64 are mounted third bevel gears 62 which mesh with fourth bevel gears 63 which are connected to and drive the shafts 41.
  • the shafts 41 are set in a rotational movement by the rotation of the rotor 3, wherein the axes of the shafts 41 approximately parallel to the axis of rotation RA and are spaced therefrom.
  • the direction of rotation of the shafts 41 is opposite to the direction of rotation DR of the shaft 27.
  • the gear ratio can be suitably selected, in particular the preferred gear ratio 1: 1, ie one revolution of the rotor 3 leads to a rotation of the shafts 41st
  • Figure 13 shows the control of the intake valves 13 by a toothed belt drive toothed belt.
  • the drive takes place on the opposite side of the bevel gear mechanism of the rotary piston engine 1.
  • a gear 51 is fixed in the two other gears 52 engage.
  • pulleys are mounted frontally, which drive a toothed belt 54.
  • this toothed belt 54 further pulleys 53 are driven, which drive the intake valves 13 via shafts 55 and cams 56.
  • the gear ratio between the rotational speed of the rotor 3 and the rotational speed of the shaft 55 must be suitably selected.
  • the speed ratio between the shaft 27 and shaft 55 is also 1: 1.
  • Figures 14.1, 14.2 and Figures 15.1, 15.2 each show a rotary engine 1 according to the invention in a front and rear view in the assembled state.
  • Both rotary piston engines 1 have, by way of example, two cylinders 5, with the two cylinders 5 of the rotary piston engine 1 taking a combustion process in FIGS. 14.1 and 14.2.
  • the rotary piston engine 1 in FIGS. 15.1 and 15.2 has a pressure cylinder 5.1 and a working cylinder 5.2 as well as an accumulator device 10 and is thus also suitable for the combustion of diesel fuel.
  • the rotary piston engine 1 can serve, for example, for driving machines, motor vehicles or the like.
  • the shaft 27 is coupled via a mechanical operative connection with the drive mechanism of a machine or a motor vehicle, wherein the mechanical operative connection can be made directly or indirectly via a transmission with fixed or variable ratio.
  • the mechanical operative connection can be made directly or indirectly via a transmission with fixed or variable ratio.
  • the motor can be made mostly of aluminum, in particular all housing parts, the rotor 3 and the lid. 8

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein neuartiger Drehkolbenmotor bestehend aus einem Motorgehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (2.1) mit zumindest einem Einlass (2.2) und zumindest einem Auslass (2.3), in dem in vorgegebener Drehrichtung (DR) drehbar um eine Rotationssachse (RA) ein zylinderförmiger Rotor (3) in einer konzentrisch zur Rotationssachse (RA) verlaufenden zylinderförmigen Lauffläche (6) aufgenommen ist, die mit der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) und seitlichen Stegen (5.3) zumindest einen im Querschnitt kreisringförmigen Zylinder (5) einschließt, bei dem auf der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) zumindest ein Drehkolben (4, 4´) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Gegenkolben (7, 7´) zumindest teilweise im Motorgehäuse (2) aufgenommen ist, zumindest der wenigstens eine Gegenkolben (7, 7´) im Motorgehäuse (2) oder der zumindest eine Drehkolben (4, 4´) am Rotor (3) beweglich gelagert ist und jedem Gegenkolben (7, 7´) zumindest ein Einlass (2.3) mit Einlassventil (13) und zumindest ein Auslass (2.3) zugeordnet sind, bei dem der zumindest eine Auslass (2.3) in Drehrichtung (DR) unmittelbar vor dem Gegenkolben (7, 7´) und an diesen anschließend der zumindest eine Einlass (2.2) in Drehrichtung (DR) angeordnet ist, bei dem der wenigstens eine Gegenkolben (7, 7´) über ein mechanisches Steuerungssystem vom Rotor (3) derart angetrieben ist, dass der Gegenkolben (7, 7´) der vom Rotor (3) abstehenden Kontur des Drehkolbens (4, 4´) bei dessen Durchlauf berührungslos mit minimalem Abstand folgt.

Description

Drehkolbenmotor, Steuerungssystem zur Ansteuerung eines Gegenkolbens sowie Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines
D reh ko I ben moto rs
Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenmotor, ein Steuerungssystem zur Ansteuerung eines Gegenkolbens in einem Drehkolbenmotor und ein Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines Drehkolbenmotors.
Aus dem Stand der Technik sind Motoren mit rotierenden Kolben in unterschiedlichsten Bauformen bekannt. Drehkolbenmotoren besitzen im Gegensatz zu Rotationskolbenmotoren die Eigenschaft, dass sich alle rotierenden Bauteile des Motors in Kreisbahnen um einen einzigen Punkt bewegen.
Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren mit Hubzylindern, die eine durch Explosion eines Treibstoff-Luft-Gemischs entstehende Hubbewegung mittels einer Kurbelwelle in eine Drehbewegung umsetzen, wird bei Drehkolbenmotoren direkt eine Drehbewegung erzeugt. Aus diesem Grund zeichnen sich diese Motoren durch ein besseres Hubraum-Leistungs-Verhältnis im Vergleich zu Hubkolbenmotoren aus.
Jedoch treten insbesondere bei Rotationskolbenmotoren verschiedenartige Probleme auf, die bisher eine größere Marktdurchdringung derselben verhindert haben. Dies sind insbesondere Abdichtungsprobleme im Inneren des Brennraums sowie hohe Fertigungskosten aufgrund eines komplizierten mechanischen Motoraufbaus.
Ausgehend vom dargelegten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, einen Drehkolbenmotor mit möglichst einfachem Aufbau und ein zugehöriges Steuersystem sowie Verfahren zum taktgesteuerten Betrieb des Drehkolbenmotors anzugeben, welches einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Drehkolbenmotor gemäß Patentanspruch 1 , ein Steuerungssystem gemäß Patentanspruch 21 und die Merkmale der Verfahrensansprüche 29 und 31 gelöst.
Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Drehkolbens ist darin zu sehen, dass der Drehkolbenmotor aus einem Motorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum mit Einlass und Auslass besteht, in dem in vorgegebener Drehrichtung drehbar um eine Rotationssachse ein zylinderförmiger Rotor in einer konzentrisch zur Rotationssachse verlaufenden zylinderförmigen Lauffläche aufgenommen ist, die mit der Mantelfläche des Rotors und seitlichen Stegen zumindest einen im Querschnitt kreisringförmigen Zylinder einschließt, und bei dem auf der Mantelfläche des Rotors zumindest ein Drehkolben angeordnet ist. Ferner ist im Motorgehäuse wenigstens ein Gegenkolben zumindest teilweise aufgenommen und wenigstens der wenigstens eine Gegenkolben im Motorgehäuse oder der zumindest eine Drehkolben am Rotor beweglich gelagert, wobei jedem Gegenkolben zumindest ein Einlass mit Einlassventil und zumindest ein Auslass zugeordnet sind. Der zumindest eine Auslass ist hierbei in Drehrichtung unmittelbar vor dem Gegenkolben und der zumindest eine Einlass in Drehrichtung an diesen anschließend angeordnet. Besonders vorteilhaft ist der wenigstens eine Gegenkolben über ein mechanisches Steuerungssystem vom Rotor derart angetrieben ist, dass der Gegenkolben der vom Rotor abstehenden Kontur des Drehkolbens bei dessen Durchlauf berührungslos mit minimalem Abstand folgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform besitzt der Drehkolbenmotor einen Drehkolben und einen Gegenkolben, wobei der Drehkolben und der in bestimmten Drehkolbenstellungen in den Zylinder hineinragende Teil des Gegenkolbens näherungsweise formgleich und derart im Motor angeordnet sind, dass der verbleibende Raum zwischen Drehkolben und Gegenkolben unmittelbar vor dem Durchlaufen des Drehkolbens durch den Bereich des Gegenkolbens minimiert wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Drehkolbenmotor zumindest zwei Zylinder auf, wobei der erste Zylinder als Druckzylinder zur Komprimierung von Luft und der weitere Zylinder als Arbeitszylinder ausgebildet ist. Der Druckzylinder führt einer Druckspeichervorrichtung, die zumindest zwei Druckbzw. Zündkammern aufweist, komprimierte Luft zu. In den Druck- bzw. Zündkammern wird ein Treibstoff-Luft-Gemisch erzeugt und zur Explosion gebracht, wobei der durch die Explosion entstehende Druck über einen Verbindungskanal zwischen Druck- bzw. Zündkammern und Arbeitszylinder demselben zugeführt wird und durch den Druck im Arbeitszylinder eine Drehbewegung erzeugt wird.
Gemäß einen weiteren Aspekt der Erfindung ist vorzugsweise mechanisches Steuerungssystem zur Ansteuerung zumindest eines in einem Gegenkolbengehäuseabschnitt geführten Gegenkolbens eines Drehkolbenmotors vorgesehen, über das der Gegenkolben derart aus dem Zylinder gehoben wird, dass die Deck- bzw. Seitenflächen des Gegenkolbens der vom Rotor abstehenden Kontur des Drehkolbens bei dessen Durchlauf berührungslos mit minimalem Abstand, vorzugsweise einem Abstand kleiner 0,5mm, folgen.
Auch bildet den Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines Drehkolbenmotors bestehend aus einem Motorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum. Der wesentliche Aspekt dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass zur Unterteilung des im Querschnitt kreisringförmigen Zylinders in einen ersten und einen zweiten Zylinderraum der Gegenkolben radial in den Zylinder eingeführt wird, bei dem durch Drehen des Drehkolbens (ausgehend vom Gegenkolben in Drehrichtung über den Einlass in den ersten Zylinderraum ein Treibstoff-Luft-Gemisch angesaugt wird und gleichzeitig das im zweiten Zylinderraum vom Vortakt befindliche Abgas über den Auslass ausgestoßen wird.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein alternatives Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines Drehkolbenmotors bestehend aus zumindest einen Druckzylinder und einem Arbeitszylinder, die jeweils zumindest einem Motorgehäuse mit einem Gehäuseinnenraum umfassen. Der wesentliche Aspekt des alternativen Verfahrens ist darin zusehen, dass über den Druckzylinder Luft angesaugt und komprimiert wird, dass die komprimierte Luft einer Druckspeichervorrichtung zugeführt wird, dass zur Bildung eines Treibstoff-Luft-Gemisches in der Druckspeichervorrichtung der komprimierten Luft Treibstoff zugeführt und anschließend in der Druckspeichervorrichtung das Treibstoff-Luft-Gemisch gezündet wird, wobei der durch die Explosion entstehende Druck dem Arbeitszylinder zugeführt wird.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindungsgegenstände sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen. Zudem ergeben sich Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus den Figuren. Dabei sind alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination grundsätzlich Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Auch wird der Inhalt der Ansprüche zu einem Bestandteil der Beschreibung gemacht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von mehreren Ausführungsbeispielen und mehreren Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines einstückigen
Rotors des Drehkolbenmotors mit jeweils zwei gegenüberliegenden Drehkolben und Gegenkolben; Fig. 2 beispielhaft eine perspektivische Ansicht eines Motorgehäuseteils;
Fig. 2.1 beispielhaft eine perspektivische Schnittdarstellung eines
Motorgehäuseteils gemäß Fig. 2; Fig. 3 beispielhaft eine stirnseitige Draufsicht auf den im
Motorgehäuseteil gemäß Fig. 2 aufgenommenen, einstückigen
Rotor mit Drehkolben und Gegenkolben; Fig. 3.1 beispielhaft eine perspektivische Ansicht von zwei aneinander gefügten Motorgehäuseteilen mit eingeschobenem Rotor Fig. 4.1 bis 4.6 beispielhaft sechs stirnseitige Draufsichten gemäß Figur 2 jeweils bei unterschiedlichen Drehpositionen des Rotors im
Motorgehäuse; Fig. 5 beispielhaft eine schematische Blockzeichnung des
Drehkolbenmotors mit Druck- und Arbeitszylinder und einer
Druckspeichervorrichtung; Fig. 6 beispielhaft eine dreidimensionale Schnittdarstellung des Rotor mit an dessen Mantelfläche befestigten Drehkolben und
Dichtringen; Fig. 7 beispielhaft eine dreidimensionalen Ansicht des Rotors mit an der
Mantelfläche befestigten Drehkolben und Dichtringen gemäß Fig.
6;
Fig. 8 beispielhaft eine dreidimensionale Darstellung einer Nocke;
Fig. 9 beispielhaft eine dreidimensionale Darstellung einer
Nockenschale; Fig. 10.1 bis 10.6 beispielhaft sechs Teildarstellungen unterschiedlicher
Drehzustände der zusammenwirkenden Nocke und
Nockenschale; Fig. 1 1 beispielhaft eine dreidimensionale Darstellung einer
Steuerungseinheit zur Ansteuerung des Gegenkolbens; Fig. 12 beispielhaft eine perspektivische Darstellung eines
Kegelzahnradantriebsmechanismus zum Antrieb des Gegenkolbens über die Steuerungseinheit und
Fig. 13 beispielhaft eine perspektivische Darstellung der Ansteuerung der
Einlassventile durch einen Zahnrad-Zahnriemen-Antrieb.
Fig. 14.1 , 14.2 beispielhaft eine Vorder- und Rückansicht eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors in einer perspektivischen Gesamtdarstellung
Fig. 15.1, 15.2 beispielhaft eine Vorder- und Rückansicht eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors mit Druckspeichereinrichtung in einer perspektivischen Gesamtdarstellung
Figur 1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen rohrförmigen, einstückigen Rotor 3 mit vorzugsweise zwei an der äußeren Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 fest verschraubten Drehkolben 4, 4' und je einem mit diesen Drehkolben 4, 4' zusammenwirkenden Gegenkolben 7, 7' eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors 1. Zur besseren Veranschaulichung des Aufbaus und des Zusammenwirkens der genannten Bauteile des erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors 1 sind diese ohne das diese umgebende, vorzugsweise mehrteilig ausgebildete Motorgehäuse 2 dargestellt. Der Rotor 3 ist hierbei konzentrisch zur Rotationsachse RA angeordnet und um diese in einer vorgegebenen Drehrichtung DR drehbar im Motorgehäuse 2 gelagert.
Sowohl die beiden Drehkolben 4, 4' als auch die Gegenkolben 7, 7' sind um 180° zueinander versetzt sowie konzentrisch um die Rotationsachse RA angeordnet. Durch diesen Versatz liegen sich somit jeweils die Drehkolben 4, 4' bzw. die Gegenkolben 7, 7' symmetrisch zur Rotationsachse RA gegenüber. Dadurch reduziert sich die Unwucht des Rotors 3 und ein vibrationsarmer Lauf des Drehkolbenmotors 1 ist sichergestellt.
Figur 2 und Figur 2.1 zeigen zumindest einen Teil des Motorgehäuses 2 in einer perspektivischen Gesamt- bzw. Schnittdarstellung, wobei dieser Teil des Motorgehäuses 2 zusammen mit dem darin drehbar gelagerten Rotor 3 einen vorzugsweise im Querschnitt kreisringförmigen Zylinder 5 ausbildet. Zur Ausbildung mehrerer derartiger vorzugsweise im Querschnitt kreisringförmiger Zylinder 5 können mehrere baugleiche Teile des Motorgehäuses 2 in Serie angeordnet sein.
Der Teil des Motorgehäuses 2 umfasst einen im Querschnitt kreisförmigen, gestuft ausgebildeten Gehäuseinnenraum 2.1 mit einer zylinderförmigen, konzentrisch zur Rotationsachse RA angeordneten Lauffläche 6 mit seitlichen, umlaufenden Stegen 5.3, die über die Lauffläche 6 radial nach innen abstehen, so dass Abstufungen entstehen.
Die Stege 5.3 besitzen ihrerseits zumindest eine Seitenfläche 5.3.1 und eine Oberseite 5.3.2, wobei die Seitenfläche 5.3.1 näherungsweise senkrecht zur Lauffläche 6 verläuft und die Oberseite 5.3.2 kreisringförmig und konzentrisch zur Rotationsachse RA ausgebildet ist. Der Teil des Motorgehäuses 2 weist zur Aufnahme und Führung eines Gegenkolbens 7, 7' zumindest ein Gegenkolbengehäuseabschnitt 12 mit einem Kolbenführungskanal 12.1 auf. Hierbei ist Kolbenführungskanal 12.1 zur radialen Führung des Gegenkolbens 7, 7' im Gegenkolbengehäuseabschnitt 12 ausgebildet.
Figur 3 zeigt einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor 1 entlang einer senkrecht zur Rotationsachse RA verlaufenden Schnittebene, und zwar eine stirnseitige Ansicht des im Motorgehäuse 2 angeordneten Rotors 3 mit Drehkolben 4 und Gegenkolben 7, die in einem Kolbenführungskanal 12.1 des Gegenkolbengehäuseabschnitts 12 aufgenommen sind. Der in Figur 1 dargestellte Rotor 3 ist zur Ausbildung zweier im Querschnitt kreisringförmiger Zylinder 5 vorgesehen, d.h. eine Reihenanordnung zweier in Figur 2 gezeigten Teile des Motorgehäuses 2, die, wie in Figur 3.1 gezeigt, stirnseitig aneinander anschließen und miteinander flüssigkeitsdicht verbunden, vorzugsweise verschraubt, sind, so dass die jeweiligen Laufflächen 6 konzentrisch zur Rotationsachse RA zu liegen kommen.
Der Rotor 3 ist einstückig ausgebildet und konzentrisch in den beiden Gehäuseinnenräumen 2.1 drehbar um die Rotationsachse RA gelagert. Dadurch entsteht in den Gehäuseinnenräumen 2.1 jeweils ein im Querschnitt kreisringförmiger Zylinder 5, der in radialer Richtung durch die Mantelfläche 3.1 des Rotors 3, die Lauffläche 6 und in Richtung parallel zur Rotationsachse RA durch die zueinander gerichteten Seitenflächen 5.3.1 der Stege 5.3 begrenzt wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist jeweils ein Drehkolben 4, 4' pro Zylinder 5 vorgesehen, der auf einer konzentrisch um die Rotationsachse RA verlaufenden Bahn bewegt wird. Hierbei läuft der Drehkolben 4, 4' mit seinem von der Mantelfläche 3.1 beanstandetem freien Ende kontaktlos, und zwar vorzugsweise mit minimalem Abstand an der zylinderförmigen Lauffläche 6. Der Drehkolben 4, 4' schließt mittels Dichtungen den Zylinder 5 sowohl zur Lauffläche 6 und zum Rotor 3 als auch zu den Seitenflächen 5.3.1 der Stege 5.3 flüssigkeits- und/oder luftdicht ab, d.h. die Höhe des Drehkolbens 4, 4' entspricht näherungsweise dem Abstand zwischen der Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 und der Lauffläche 6 des Motorgehäuses 2 und die Tiefe des Drehkolbens 4, 4' entspricht näherungsweise dem Abstand der gegenüberliegenden Seitenflächen 5.3.1 zweier Stege 5.3 eines Zylinders 5.
Dem zur Aufnahme des Gegenkolbens 7, 7' vorgesehenen
Gegenkolbengehäuseabschnitt 12 sind zumindest ein Einlass 2.2 und zumindest ein Auslass 2.3 zugeordnet, wobei der zumindest eine Auslass 2.3 in Drehrichtung DR unmittelbar vor dem Gegenkolben 7, 7' und der zumindest eine Einlass 2.2 an diesen anschließend angeordnet sind. Weiterhin kann im Motorgehäuse 2 eine Zündvorrichtungsöffnung 2.4 zur Aufnahme einer Zündvorrichtung vorgesehen sein, wobei diese vorzugsweise im auf den zumindest einen Gegenkolben 7, 7' folgenden 120°-Sektor in Drehrichtung DR zu liegen kommt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Einlass 2.2 innerhalb eines 90°-Sektors nach dem Gegenkolben 7, 7' in Drehrichtung DR vorgesehen, vorzugsweise unmittelbar auf den Gegenkolben 7, 7' folgend.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Drehkolben 4, 4' und der in den Zylinder 5 hineinragende Teil des Gegenkolbens 7, 7' näherungsweise formgleich. Der Drehkolben 4, 4' besteht aus einer an der Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 anschließenden Grundfläche 4.1 , einer berührungslos mit minimalem Abstand an die Lauffläche 6 anschließenden Deckfläche 4.2 sowie zwei, die Grundfläche 4.1 bzw. die Deckfläche 4.2 verbindenden Seitenflächen 4.3, 4.4. Vorzugsweise schließen die Seitenflächen 4.3, 4.4 und die Grundfläche 4.1 einen spitzen Winkel ein. Der Gegenkolben 7, 7' besitzt aufgrund seiner näherungsweisen Formgleichheit zum Drehkolben 4, 4' eine Deckfläche 7.1 und zwei Seitenflächen 7.2, 7.3, wobei die durch die Seitenflächen 7.2, 7.3 und die Deckfläche 7.1 eingeschlossenen Winkel jeweils stumpfwinklig sind. Dies führt sowohl im Falle des Gegenkolbens 7, 7' als auch beim Drehkolben 4, 4' zu einem annähernd trapezförmigen Querschnitt.
Bei Drehung des Rotors 3 in Drehrichtung DR wird der Gegenkolben 7, 7' derart aus dem Zylinder 5 gehoben, dass ein berührungsloser Durchlauf des Drehkolbens 4, 4' im Befestigungsbereich des Gegenkolbens 7, 7' erfolgt. Vorzugsweise wird der Gegenkolben 7, 7' derart aus dem Zylinder 5 gehoben, dass die Deck- 7.1 bzw. Seitenflächen 7.2, 7.3 des Gegenkolbens 7, 7' der vom Rotor 3 abstehenden Kontur des Drehkolbens 4, 4' bei dessen Durchlauf berührungslos und mit minimalem Abstand, vorzugsweise einem Abstand kleiner 0,5mm, folgen. Zur zusätzlichen Verringerung des Abstands kann in einer vorteilhaften Ausführungsform zumindest die sich durch die Drehung nähernde Seitenfläche 4.3, 4.4 des Drehkolbens 4, 4' leicht konvex gewölbt sein. Zudem kann optional die zumindest eine Seitenfläche 7.2, 7.3 des Gegenkolbens 7, 7', der sich der Drehkolben 4, 4' durch seine Bewegung nähert, leicht konkav gewölbt sein. Nach dem Durchlauf des Drehkolbens A1 4' schmiegt sich der Gegenkolben 7, 7' mit seiner Deckfläche 7.1 mit minimalem Abstand an die Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 an. Für den Fall eines geschlossenen Gegenkolbens 7, 7', d.h. dass die Deckfläche 7.1 minimal zur Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 beabstandet ist, unterteilt der Drehkolben 4, 4' den kreisringförmigen Zylinder 5 zusammen mit dem Gegenkolben 7, 7' in zwei Zylinderräume 5.a, 5.b, wobei sowohl Drehkolben 4, 4' als auch Gegenkolben 7, T derart ausgebildet sind, dass die Abtrennung mittels am Drehkolben 4, 4' und am Gegenkolben 7, 7' vorgesehenen Dichtungen vorzugsweise flüssigkeits- und/oder luftdicht erfolgt. Für die Abdichtung des Zylinders 5 an der Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 sind an dieser angebrachte Dichtringe 17 (siehe Figur 6 und Figur 7) vorgesehen, die passgenau auf den Oberseiten 5.3.2 der Stege 5.3 anliegen.
Anhand der Figuren 4.1 bis 4.6 wird im Folgenden die Arbeitsweise des Drehkolbenmotors 1 beschrieben, wobei in sechs Teilabbildungen 4.1 bis 4.6 unterschiedliche Drehpositionen des Rotors 3 im Zylinder 5 dargestellt sind.
In Figur 4.1 wird durch den sich in Drehrichtung DR drehenden Drehkolben 4 im ersten Zylinderraum 5.a eine Sogwirkung erzeugt, so dass durch den Einlass 2.2 Luft einsaugt wird. Durch die Rotation des Drehkolbens 4 verkleinert sich gleichzeitig der zweite Zylinderraum 5.b zunehmend, was ein Ausstoßen eines sich vom Vortakt im zweiten Zylinderraum 5.b befindlichen verbrannten Abgases über den Auslass 2.3 zur Folge hat. Nach einem definierten Drehwinkel wird das Einlassventil am Einlass 2.2 geschlossen, über die Treibstoffzuführung 9 Treibstoff in den Zylinderraum 5.a zugeführt und das Treibstoff-Luft-Gemisch im ersten Zylinderraum 5.a mittels der Zündvorrichtung zur Explosion gebracht (siehe Figur 4.2).
Durch die Explosion des Treibstoff-Luft-Gemisches wird bei geschlossenem Gegenkolben 7 auf den Drehkolben 4 eine Kraft in Drehrichtung DR ausgeübt und eine Rotation des Rotors 3 in Drehrichtung DR bewirkt. Unmittelbar vor Berühren des Gegenkolbens 7, 7' durch den Drehkolben 4 ist das Volumen im verbleibenden zweiten Zylinderraum 5.b minimal, d.h. das verbrannte Rauchgas vom Vortakt wurde nahezu vollständig durch den Auslass 2.3 gedrückt (siehe Figur 4.3). Die zuvor beschriebene Form der Seitenflächen 4.3, 4.4 und 7.2, 7.3 des Drehkolbens 4 bzw. des Gegenkolbens 7 ermöglicht hierbei eine Minimierung des Volumens des zweiten Zylinderteilraumes 5.b. Um eine Berührung des Drehkolbens 4 und des Gegenkolbens 7 zu vermeiden, wird der Gegenkolben 7 annähernd synchron zum vorbei geführten Drehkolben 4 aus dem Zylinder 5 gehoben und nach dem Durchlauf wieder in den Zylinder 5 zurückgeführt (siehe Figur 4.4 bis 4.6). Die radiale Bewegung des Gegenkolbens 7 folgt hierbei nahezu exakt der Form des Drehkolbens 4. Dadurch wird sichergestellt, dass auch beim Zurückführen des Gegenkolbens 7 in den Zylinder 5 der Abstand zwischen Drehkolben 4 und Gegenkolben 7 minimal ist, was zur Folge hat, dass der Anteil an verbranntem Rauchgas im ersten Zylinderraum 5.a ebenfalls minimal ist.
Wie in Figur 1 und Figur 3.1 bereits angedeutet kann der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor 1 mehrere in Serie angeordnete Zylinder 5 aufweisen, wobei pro Zylinder 5 jeweils ein in Figur 2 dargestellter Abschnitt des Motorgehäuses 2 vorgesehen wird und die zylinderförmigen Laufflächen 6 jeweils konzentrisch zur Rotationsachse RA ausgebildet sind. Am Rotor 3 werden abhängig von der gewünschten Zylinderanzahl mehrere Drehkolben 4, 4' vorgesehen, wobei die Drehkolben 4, 4' zueinander entlang der Rotationsachse RA versetzt sind und zumindest je ein Drehkolben 4, 4' in einem Zylinder 5 aufgenommen ist. Um einen vibrationsarmen Lauf des Motors zu ermöglichen, werden die nebeneinander liegenden Drehkolben 4, 4' abwechselnd um 180° zueinander verdreht am Rotor 3 angeordnet. Zudem wird jedem Drehkolben 4, 4' ein Gegenkolben 7, 7' zugeordnet, wobei auch die Gegenkolben 7, 7' zueinander entlang der Rotationsachse versetzt und abwechselnd zueinander um 180° verdreht sind. Die Zündung der einzelnen Zylinder 5 kann hierbei gleichzeitig oder aber auch zeitlich versetzt zueinander erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor 1 zumindest zwei Zylinder 5 auf, wobei einer der zumindest zwei Zylinder 5 als Druckzylinder 5.1 zur Komprimierung von Luft und der zumindest eine weitere Zylinder 5 als Arbeitszylinder 5.2 ausgebildet ist. Ein derartiger Drehkolbenmotor 1 weist getrennt von Druck- und Arbeitszylinder 5.1, 5.2 zumindest eine Druckspeichervorrichtung 10 auf, die zumindest eine erste und zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 beinhaltet.
Figur 5 zeigt ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der Funktionsweise eines Drehkolbenmotors 1 mit Druck- und Arbeitszylinder 5.1 , 5.2 und zugehöriger Druckspeichervorrichtung 10. Der Auslass 2.3 des Druckzylinders 5.1 ist über eine Verbindungsleitung 18 mit der Druckspeichervorrichtung 10 verbunden, wobei die Verbindungsleitung 18 über ein Rückschlagventil 19 am Auslass 2.3 des Druckzylinders 5.1 angeschlossen ist. Die Druckspeichervorrichtung 10 besteht ihrerseits aus zumindest einer ersten und zweiten Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1, 1 1.2, die über je ein zugeordnetes erstes und zweites Ventil 20.1 , 20.2 und ein gemeinsames Ventil 21 an die Verbindungsleitung 18 gekoppelt sind. Die ersten und zweiten Druck- bzw. Zündkammern 1 1.1, 11.2 weisen eine erste und zweite Vorrichtung zur Treibstoffzuführung 23.1 , 23.2 in die erste bzw. zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 sowie jeweils eine erste bzw. zweite Zündvorrichtung 24.1 , 24.2 auf. Ausgangsseitig ist die erste und zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 11.2 mit je einem weiteren Ventil 22.1 , 22.2 mit dem Arbeitszylinder 5.2 gekoppelt. Im Folgenden wird anhand von Figur 5 die Funktionsweise des Drehkolbenmotors 1 mit zusätzlicher Druckspeichervorrichtung 10 näher erläutert. Zur besseren Veranschaulichung sind in Figur 5 der Druckzylinder 5.1 und der Arbeitszylinder 5.2 nebeneinander dargestellt. Die Realisierung des Drehkolbenmotors 1 erfolgt jedoch, wie in Figur 1 gezeigt, durch einen gemeinsamen Rotor 3. Die Position der Drehkolben A1 4' und Gegenkolben 7, 7' im Druckzylinder 5.1 sowie im Arbeitszylinder 5.2 sind jeweils um 180° zueinander versetzt. Beim Startvorgang des Drehkolbenmotors 1 wird durch einen nicht dargestellten, aus dem Stand der Technik bekannten Anlasser der Rotor 3 in Drehbewegung versetzt, wobei im Druckzylinder 5.1 durch den Einlass 2.2 Luft in den ersten Zylinderraum 5.a des Druckzylinders 5.1 eingesaugt wird. Aufgrund der Rotation wird das Volumen im zweiten Zylinderraum 5.b des Druckzylinders 5.1 komprimiert und über den Auslass 2.3 durch die Verbindungsleitung 18 der Druckspeichervorrichtung 10 zugeführt wird. Bei Erreichen eines vordefinierten Drucks öffnet das gemeinsame Ventil 21 und der Druck kann beim Öffnen des ersten oder zweiten Ventils 20.1 , 20.2 in die jeweils nachgelagerte erste bzw. zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 gelangen. Anschließend wird das erste oder zweite Ventil 20.1 , 20.2 wieder geschlossen. Die ersten bzw. zweiten Ventile 20.1 , 20.2 werden dabei abwechselnd geöffnet, und zwar jedes Ventil 20.1, 20.2 einmal alle zwei Umdrehungen, so dass jede zweite Umdrehung die dem ersten bzw. zweiten Ventil 20.1 , 20.2 zugeordnete erste bzw. zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 mit Druck beaufschlagt wird.
Nach Zuführung von Treibstoff in die erste bzw. zweite Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 über eine erste bzw. zweite Treibstoffzuführung 23.1 , 23.2 wird das Treibstoff-Luft-Gemisch innerhalb der ersten bzw. zweiten Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 über die jeweilige erste oder zweite Zündvorrichtung 24.1, 24.2 gezündet und gleichzeitig das zu dieser Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 11.2 gehörige erste bzw. zweite weitere Ventil 22.1 , 22.2 geöffnet. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich der Drehkolben 4 im Arbeitszylinder 5.2 in Drehrichtung DR gesehen nach dem Gegenkolben 7, wobei dieser Gegenkolben 7 geschlossen ist, d.h. mit seiner Deckfläche 7.1 von der Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 minimal beabstandet ist.
Der in der Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 11.2 durch die Explosion entstehende Druck wird über den Verbindungskanal 25 dem Arbeitszylinder 5.2 zugeführt, und zwar über dessen Einlass 2.2. Hierdurch wird auf den Drehkolben 4 im Arbeitszylinder 5.2 eine Kraft in Drehrichtung DR ausgeübt. Zu diesem Zeitpunkt kann der Anlasser abgeschaltet werden. Durch die einstückige Ausbildung des Rotors 3 erfährt auch der Drehkolben 4' im Druckzylinder 5.1 eine Kraft in Drehrichtung DR und erzeugt weiterhin Druck, der sich über die Verbindungsleitung 18 und ein geöffnetes erstes bzw. zweites Ventil 20.1, 20.2, das der im vorherigen Takt nicht benutzten ersten bzw. zweiten Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 zugeordnet ist, in ebendiese Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 ausbreiten kann. Nach dem Durchlaufen der beiden Drehkolben 4, 4' durch den Bereich der Gegenkolbens 7, 7' kann in einer der ersten bzw. zweiten Druck- bzw. Zündkammer 1 1.1 , 1 1.2 durch Zuführung von Treibstoff und der anschließenden Zündung durch die erste bzw. zweite Zündvorrichtung 24.1 , 24.2 das Treibstoff-Luft-Gemisch erneut zur Explosion gebracht werden. Im zweiten Zylinderteilraum 5.b des Arbeitszylinders 5.2 befindet sich zu diesem Zeitpunkt das aus dem vorherigen Takt entstandene, verbrannte Rauchgas, welches durch die Drehung des Drehkolbens 4 durch den Auslass 2.3 des Arbeitszylinders 5.2 ausgestoßen wird.
Die zuvor beschriebenen Abläufe sind periodisch wiederkehrend, wobei die Periode der Abläufe von der Drehzahl des Rotors 3 abhängig ist. Zudem wird abwechselnd in einer der ersten bzw. zweiten Druck- bzw. Zündkammern 11.1 , 1 1.2 das Treibstoff- Luft-Gemisch zur Explosion gebracht, so dass sich in einer der beiden Druck- bzw. Zündkammer 11.1 , 1 1.2 nur jede zweite Umdrehung des Rotors 3 eine Explosion ereignet. Durch die Trennung des Arbeitszylinders 5.2 von der Druckspeichervorrichtung 10 und die Verwendung von zwei Druck- bzw. Zündkammern 11.1 , 11.2 kann das Treibstoff-Luft-Gemisch einen längeren Zeitraum miteinander in Interaktion treten, was eine bessere Durchmischung und dadurch eine höhere Effektivität bzw. Effizienz der Verbrennung des Drehkolbenmotors 1 nach sich zieht. Zudem ist ein derart aufgebauter Drehkolbenmotors 1 mit Benzin, Diesel oder Gas betreibbar.
Die Figuren 6 und 7 zeigen jeweils den Rotor 3 mit an dessen Mantelfläche 3.1 befestigten Drehkolben 4, 4' und Dichtringen 17, und zwar in einer dreidimensionalen Schnittdarstellung sowie einer perspektivischen Gesamtdarstellung, wobei an den Stirnseiten des Rotors 3 vorzugsweise kreisförmige Deckel 8 mit schaufelradartigen Ausnehmungen 8.1 angeflanscht sind. Jeweils am Querschnittsmittelpunkt jedes Deckels 8 ist eine Welle 27 angebracht, die längs der Rotationsachse RA vom Rotor 3 absteht, wobei die Rotationsachse RA mit der Wellenlängsachse zusammenfällt. Die Wellen 27 dienen zum einen zur drehbaren Lagerung des Rotors 3 im Motorgehäuse 2, zum anderen zur Ableitung der durch die Verbrennung auf den Rotor 3 übertragenen kinetischen Energie, beispielsweise mittels Zahnrädern, Riemen oder Ketten. Zudem werden mittels dieser Wellen 27 alle zum Betrieb des Motors notwendigen, beweglichen Baugruppen, beispielsweise Einlassventil 13, Gegenkolben 7, 7' etc. angetrieben.
Im Inneren des Rotors 3 ist ein konzentrisch zur Rotationsachse RA verlaufendes Rohr 26 aufgenommen. Dieses Rohr 26 wird durch die an beiden Stirnseiten des Rotors 3 aufgeschraubten Deckel 8, und zwar in darin vorgesehenen Nuten 8.3, in seiner Position gehalten, wobei die Stirnseiten des Rotors 3 hierzu in den Nuten 8.3 aufgenommen werden. Durch Einfügen des Rohres 26 in den Rotor 3 ergibt sich im Innenraum des Rotors 3 eine Aufteilung in zwei Rotorkammern 28, 29, wobei die erste Rotorkammer 28 zwischen der Rotorinnenseite und der äußeren Mantelfläche des Rohres 26 gebildet ist und die zweite Rotorkammer 29 durch die innere Mantelfläche des Rohres 26 eingeschlossen ist. Sowohl die erste Rotorkammer 28 als auch die zweite Rotorkammer 29 sind seitlich durch die beiden Deckel 8 begrenzt. Die Konstruktion aus Deckeln 8 und eines im Rotorinneren angeordneten Rohrs 26 dient der Schaffung eines im Volumen reduzierten, in der Nähe der durch die Verbrennung entstehenden Wärme anschließenden Kühlraumes, und zwar der ersten Rotorkammer 28, um diese mit einem flüssigen oder zähflüssigem Medium zu durchströmen und damit den Drehkolbenmotor 1 zu kühlen. Aus diesem Grund ist die Verbindung der Deckel 8 mit dem Rotor 3 sowie die Verbindung des Rohres 26 mit eben diesen Deckeln 8 flüssigkeitsdicht ausgeführt. Die zweite Rotorkammer 29 ist gegenüber der ersten Rotorkammer 28 abgedichtet und kommt mit dem Kühlmedium nicht in Berührung.
Ein im Motorgehäuse 2 vor dem Deckel 8 befindliches Kühlmedium wird bei Drehung des Rotors 3 über die schaufelradartigen Ausnehmungen 8.1 den Bohrungen 8.2 zugeführt und durch diese Bohrungen 8.2 in die erste Rotorkammer 28 eingeleitet. Der zweite Deckel 8 arbeitet in entgegengesetzter Wirkungsweise, d.h. erzeugt eine Sogwirkung auf das in der ersten Rotorkammer 28 befindliche Kühlmedium und befördert das Kühlmedium durch die Bohrungen 8.2 und schaufelartigen Ausnehmungen 8.1 aus der ersten Rotorkammer 28 heraus. Vorzugsweise sind die Bohrungen 8.2 schräg in den Deckel 8 eingebracht, so dass die Einleitung des Kühlmediums von den schaufelartigen Ausnehmungen 8.1 durch die Bohrungen 8.2 in die ersten Rotorkammer 28 vereinfacht wird. Die an der Mantelfläche 3.1 des Rotors 3 angebrachten Drehkolben 4, 4' besitzen ebenfalls Kühlkanäle, wobei diese Kühlkanäle eine Verbindung zur ersten Rotorkammer 28 aufweisen, und zwar beispielsweise über mit einer Innenbohrung versehene Schrauben, die zur Befestigung des Drehkolbens 4, 4' am Rotor 3 vorgesehen sind. Das die erste Rotorkammer 28 durchströmende Kühlmedium kann damit auch durch die Drehkolben 4, 4' fließen und eine Kühlung dieser gewährleisten, wobei der Austausch des Kühlmediums durch die Fliehkraft aktiv unterstützt wird. Das durch die Sogwirkung am gegenüberliegenden Deckel 8 austretende Kühlmedium kann über im Motorgehäuse 2 integrierte Rückflusskanäle zum ersten Deckel 8 zurückfließen. Damit wird auch das Motorgehäuse 2, das durch den Verbrennungsprozess mit Wärme beaufschlagt wird, effektiv gekühlt. Um eine Überhitzung des Kühlmediums zu vermeiden, ist in den Kühlkreislauf eine aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannte Kühleinrichtung eingebracht, die beispielsweise durch eine stark vergrößerte wirksame Kühlfläche dem Kühlmedium Wärme entzieht. Zudem kann diese Wärme auch für andere Zwecke, beispielsweise zur Erwärmung des Kraftstoffs oder zum Beheizen des Innenraums bei Kraftfahrzeugen genutzt werden.
Im Folgenden wird anhand der Figuren 8 - 12 ein erfindungsgemäßes Steuerungssystem zur Ansteuerung zumindest eines im Gegenkolbengehäuseabschnitt 12 geführten Gegenkolbens 7, 7' eines Drehkolbenmotors 1 beschrieben.
Mittels des Steuerungssystems wird die zuvor beschriebene radiale Bewegung des Gegenkolbens 7, 7' derart gesteuert, dass beim Durchlauf eines Drehkolbens 4, 4' durch den Gegenkolbengehäuseabschnitt 12 der Gegenkolben 7, 7' derart aus dem Zylinder 5 gehoben wird, dass bei minimalem Abstand zueinander eine Berührung des Drehkolbens 4, 4' und des Gegenkolbens 7, 7' vermieden wird. Dazu ist jedem Gegenkolben 7, 7' des Drehkolbenmotors 1 eine Steuerungseinheit 40, 40' zugewiesen, die durch rotierende Wellen 41 angetrieben werden, wobei mit diesen Wellen 41 jeweils zumindest eine Nocke 42 und zumindest eine, vorzugsweise zwei Nockenschalen 43 mechanisch verbunden sind. Die Welle 41 wird über eine mechanische Wirkverbindung vom Rotor 3 angetrieben und setzt damit sowohl Nocken 42 als auch Nockenschalen 43 in Rotation.
Die in den Figuren 10.1 bis 10.6 jeweils im eingebauten Zustand dargestellten Nocken 42 und Nockenschalen 43 sind in Figur 8 bzw. Figur 9 in einer perspektivischen Darstellung gezeigt. Die Nocke 42 besitzt eine im Wesentlichen kreisförmige Außenkontur 42.1 mit einer Auswölbung 42.2, wobei die Nocke 42 an ihrer Außenfläche von einem Bolzen 44 kontinuierlich abgetastet wird, d.h. der Bolzen 44 folgt der Form der Nocke 42. Die Auswölbung 42.2 ist hierbei unsymmetrisch ausgebildet und besitzt eine flache bzw. eine steile Flanke.
Die in Figur 9 gezeigte Nockenschale 43 weist stirnseitig eine Einfräsung auf, wobei diese Einfräsung einen umlaufenden Weg für einen Bolzen 45 vorgibt und dieser Weg, abgesehen von einem radial nach außen abstehenden Auswölbungsbereich 50, näherungsweise kreisförmig ist. Die Breite der Einfräsung der Nockenschale 43 ist auf den Durchmesser des Bolzens 45 abgestimmt, sodass dieser passgenau in der Einfräsung geführt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Bolzen 45 zwischen zwei gleichförmigen Nockenschalen 43 geführt, wobei sich die stirnseitigen Einfräsungen der Nockenschalen 43 gegenüberstehen und die Nockenschalen 43 zueinander deckungsgleich und zueinander beabstandet sind.
Bei Rotation der Welle 41 und damit der Nockenschalen 43 in Figur 11 schreitet der Bolzen 45 die Innen- bzw. Außenkontur 43.1 , 43.2 der Nockenschale 43 ab. Im Auswölbungsbereich 50 der Innen- bzw. Außenkontur 43.1 , 43.2 wird ein Hebelmechanismus 48 gegen die Federkraft der ersten Federeinheit 46 nach oben gehoben, wobei mit dem Hebelmechanismus 48 ein Gegenkolben 7, 7' gekoppelt ist und dieser damit ebenfalls aus dem Zylinder 5 gehoben wird. Für den Fall, dass in einem Zylinder 5 des Drehkolbenmotors 1 genau ein Drehkolben 4, 4' angeordnet ist, besitzen der Rotor 3 und die Welle 41 die gleiche Drehzahl, d.h. das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor 3 und Welle 41 beträgt 1 :1. Dadurch wird der Gegenkolben 7, 7' durch die Steuerungseinheit 40, 40' genau einmal pro Umdrehung des Rotors 3 aus dem Zylinder 5 gehoben. Die Nocke 42 ist mit dem Hebelmechanismus 48 indirekt über eine zweite Federeinheit 47 gekoppelt. In den sechs Teildarstellungen 10.1 - 10.6 sind unterschiedliche Drehzustände der Nocke 42 bzw. Nockenschale 43 gezeigt, wobei die relative Stellung der Nocke 42 zur Nockenschale 43 jeweils unverändert ist. In den Figuren 10.1 - 10.6 ist die Nocke
42 und der die Außenfläche abschreitende Bolzen 44 mit durchgezogenen Linien dargestellt, die Innenkontur 43.1 bzw. Außenkontur 43.2 der Nockenschale 43 sowie der zwischen Innenkontur 43.1 und Außenkontur 43.2 geführte Bolzen 45 sind in strichlierter Darstellung gezeichnet. Die Drehung der Welle 41 , der Nocke 42 und der Nockenschale 43 erfolgt im Uhrzeigersinn. Die Nocke 42 bzw. die deckungsgleichen Nockenschalen 43 sind in Ihren Auswölbungen 42.2, 50 leicht zueinander versetzt, d.h. die Auswölbung 42.2 der Nocke 42 eilt in Drehrichtung etwas dem Auswölbungsbereich 50 der Nockenschalen 43 voraus.
In Figur 10. I steilt die Ausgangssituation dar, bei der die erste und zweite Federeinheit 46, 47 entspannt sind. In Figur 10.2 befindet sich der Bolzen 45 in Drehrichtung vor dem Durchlauf durch den Auswölbungsbereich 50 der Nockenschalen 43. Um den Durchlauf durch den Auswölbungsbereich 50 zu erleichtern, wird vor diesem Durchlauf der Bolzen 44 durch die flache Flanke der Auswölbung 42.2 der Nocke 42 angehoben, sodass die zweite Federeinheit 47 vorgespannt wird. Die durch die zweite Federeinheit 47 auf den Hebelmechanismus 48 ausgeübte Kraft führt jedoch noch zu keinem Herausheben des Gegenkolben 7, da die Außenkontur 43.2 der Nockenschale
43 dieses wirksam verhindert. Bei weiterer Drehung der Nocke 42 bzw. der Nockenschalen 43 wird die zweite Federeinheit 47 weiter vorgespannt (Figur 10.3). Läuft nun der Bolzen 45 in der Nockenschale 43 in den Auswölbungsbereich 50 (Figur 10.4), ermöglicht die bereits vorgespannte zweite Federeinheit 47 den erleichterten Einlauf des Bolzens 45 in denselben, da der Hebelmechanismus 48 durch die vorgespannte zweite Federeinheit 47 angehoben wird. Dieses führt zu einem Herausheben des Gegenkolbens 7, T aus dem Zylinder 5 und zwar einem Herausheben derart, wie es durch die Kontur der Innen- bzw. Außenfläche 43.1 , 43.2 der Nockenschale 43 in der jeweiligen Drehposition vorgegeben wird. Nach dem Eintreten des Bolzens 45 in den Auswölbungsbereich 50 durchläuft der Bolzen 44 die stark abfallende Flanke der Auswölbung 42.2 der Nocke 42 (Figur 10.5). Dadurch entspannt sich die zweite Federeinheit 47. Am Ende des Auswölbungsbereichs 50 wird der Bolzen 45 aus dem Auswölbungsbereich 50 unterstützt durch die beim Herausheben vorgespannte Federeinheit 46 herausgeführt und damit der Gegenkolben 7, 7' über den Hebelmechanismus 48 in den Zylinder 5 zurückgeführt (Figur 10.6). Das Zusammenwirken der Nocke 42 mit der Nockenschale 43 sorgt für ein materialschonendes Überwinden von Bereichen größerer Steigung, insbesondere beim Einlaufen in den Auswölbungsbereich 50, bei dem der Gegenkolben 7, 7' zügig aus dem Zylinder 5 gehoben werden muss, um der Form des Drehkolbens 4, 4' mit minimalem Abstand zu folgen. Zudem weist der Hebelmechanismus 48 ein durch unterschiedliche Hebelarmlängen erzeugtes Übersetzungsverhältnis auf, das eine kleine, durch die Nockenschale 43 verursachte Hubbewegung in eine vergrößerte Hubbewegung am Gegenkolben 7, 7' umsetzt.
Figuren 12 und 13 zeigen den erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor 1 in einer Vorder- und Rückansicht. In Figur 12 ist die Ventilansteuerung zur besseren Veranschaulichung weggelassen.
Figur 12 zeigt den Antrieb der Steuerungseinheit 40, 40' für Gegenkolben 7, 7' über einen Kegelzahnradmechanismus. Ein an der Welle 27 befestigtes erstes Kegelzahnrad 60 treibt zweite Kegelzahnräder 61 an, die an ersten Enden von Verbindungswellen 64 angelenkt sind, wobei Längsachsen dieser Verbindungswellen 64 senkrecht zur Rotationsachse RA stehen. An den zweiten Enden der Verbindungswellen 64 sind dritte Kegelzahnräder 62 angebracht, die in vierte Kegelzahnräder 63 eingreifen, die mit den Wellen 41 verbunden sind und diese antreiben. Durch diese Anordnung werden durch die Drehung des Rotors 3 die Wellen 41 in eine Drehbewegung versetzt, wobei die Achsen der Wellen 41 näherungsweise parallel zur Rotationsachse RA und zu dieser beabstandet liegen. Die Drehrichtung der Wellen 41 ist der Drehrichtung DR der Welle 27 entgegengesetzt. Durch die Verwendung von Kegelzahnrädern 60 - 63 mit unterschiedlichen Durchmessern kann das Übersetzungsverhältnis geeignet gewählt werden, insbesondere das bevorzugte Übersetzungsverhältnis 1 :1 , d.h. eine Umdrehung des Rotors 3 führt zu einer Umdrehung der Wellen 41.
Figur 13 zeigt die Ansteuerung der Einlassventile 13 durch einen Zahnrad-Zahnriemen- Antrieb. Der Antrieb erfolgt auf der dem Kegelzahnradmechanismus gegenüberliegenden Seite des Drehkolbenmotors 1. An der Welle 27 ist ein Zahnrad 51 befestigt, in das zwei weitere Zahnräder 52 eingreifen. An diese Zahnräder 52 sind stirnseitig Riemenräder angebracht, die einen Zahnriemen 54 antreiben. Mittels dieses Zahnriemens 54 sind weitere Riemenräder 53 angetrieben, die über Wellen 55 und Nocken 56 die Einlassventile 13 antreiben. Je nach Anzahl der verwendeten Drehkolben 4, 4' in einem Zylinder 5 muss das Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des Rotors 3 und der Drehzahl der Welle 55 geeignet gewählt werden. Bei der Verwendung von einem Drehkolben 4, 4' pro Zylinder 5 beträgt das Drehzahlverhältnis zwischen der Welle 27 und Welle 55 ebenfalls 1 :1.
Figuren 14.1 , 14.2 und Figuren 15.1 , 15.2 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor 1 in einer Vorder- und Rückansicht im zusammengebauten Zustand. Beide Drehkolbenmotoren 1 weisen beispielhaft zwei Zylinder 5 auf, wobei die beiden Zylinder 5 des Drehkolbenmotors 1 in den Figuren 14.1 und 14.2 ein Verbrennungsprozess stattfindet. Der Drehkolbenmotor 1 in Figuren 15.1 und 15.2 weist im Gegensatz dazu einen Druckzylinder 5.1 und einen Arbeitszylinder 5.2 sowie eine Druckspeichervorrichtung 10 auf und ist damit auch für die Verbrennung von Dieselkraftstoff geeignet. Der Drehkolbenmotor 1 kann beispielsweise zum Antrieb von Maschinen, Kraftfahrzeugen o.a. dienen. Dazu wird die Welle 27 über eine mechanische Wirkverbindung mit der Antriebsmechanik einer Maschine bzw. eines Kraftfahrzeuges gekoppelt, wobei die mechanische Wirkverbindung direkt oder indirekt über ein Getriebe mit fester oder variabler Übersetzung erfolgen kann. Als Materialien zur Fertigung des Motors können alle im Motorenbau gängigen Materialien Verwendung finden. Der Motor kann größtenteils aus Aluminium gefertigt sein, insbesondere alle Gehäuseteile, der Rotor 3 sowie die Deckel 8.
Die Erfindung wurde voranstehend an Ausführungsbeispielen beschrieben, es versteht sich, dass zahlreiche Variationen und Änderungen des Anmeldungsgegenstandes möglich sind, ohne hierdurch den Erfindungsgedanken zu verlassen.
Bezugszeichenliste
1 Drehkolbenmotor
2 Motorgehäuse
2.1 Gehäuseinnenraum
2.2 Einlass
2.3 Auslass
2.4 Zündungsvorrichtungsöffnung
3 Rotor
3.1 Mantelfläche des Rotors
4, 4' Drehkolben
4.1 Grundfläche des Drehkolbens
4.2 Deckfläche des Drehkolbens
4.3, 4.4 Seitenfläche des Drehkolbens
5 Zylinder
5.a erster Zylinderraum
5.b zweiter Zylinderraum
5.1 Druckzylinder
5.2 Arbeitszylinder
5.3 Steg
5.3.1 Seitenfläche des Stegs
5.3.2 Oberseite des Stegs
6 Lauffläche
7, r Gegenkolben
7.1 Deckfläche des Gegenkolbens
7.2, 7.3 Seitenfläche des Gegenkolbens
8 Deckel
8.1 schaufelradartige Ausnehmung
8.2 Bohrung 8.3 Nut
9 Treibstoffzuführung
10 Druckspeichervorrichtung
1 1.1 erste Druck- bzw. Zündkammer
1 1.2 zweite Druck- bzw. Zündkammer
12 Gegenkolbengehäuseabschnitt 12.1 Kolbenführungskanal
13 Einlassventil
17 Dichtring
18 Verbindungsleitung
19 Rückschlagventil 20.1 , 20.2 erstes und zweites Ventil 21 gemeinsames Ventil 22.1 , 22.2 weitere Ventile 23.1 , 23.2 Treibstoffzuführung
24.1 , 24.2 erste und zweite Zündvorrichtung
25 Verbindungskanal
26 Rohr
27 Welle
28 Erste Rotorkammer
29 Zweite Rotorkammer 40, 40' Steuerungseinheit
41 Welle
42 Nocke
42.1 kreisförmige Außenkontur der Nocke
42.2 Auswölbung der Nocke
43 Nockenschale
43.1 Innenkontur der Nockenschale
43.2 Außenkontur der Nockenschale 4 Bolzen 5 Bolzen 6 Erste Federeinheit 7 Zweite Federeinheit 8 Hebelmechanismus 9 Bügel
50 Auswölbungsbereich
51 Zahnrad
52 Zahnrad mit stirnseitigem Riemenrad
53 Riemenrad
54 Zahnriemen
55 Welle
56 Nocke
60 Erstes Kegelzahnrad
61 Zweites Kegelzahnrad
62 Drittes Kegelzahnrad
63 Viertes Kegelzahnrad
64 Verbindungswelle
RA Rotationsachse
DR Drehrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Drehkolbenmotor bestehend aus einem Motorgehäuse (2) mit einem
Gehäuseinnenraum (2.1 ) mit zumindest einem Einlass (2.2) und zumindest einem Auslass (2.3), in dem in vorgegebener Drehrichtung (DR) drehbar um eine Rotationssachse (RA) ein zylinderförmiger Rotor (3) in einer konzentrisch zur Rotationssachse (RA) verlaufenden zylinderförmigen Lauffläche (6) aufgenommen ist, die mit der Mantelfläche (3.1 ) des Rotors (3) und seitlichen Stegen (5.3) zumindest einen im Querschnitt kreisringförmigen Zylinder (5) einschließt,
- bei dem auf der Mantelfläche (3.1 ) des Rotors (3) zumindest ein Drehkolben (4, 4') angeordnet ist, wobei wenigstens ein Gegenkolben (7, T) zumindest teilweise im Motorgehäuse (2) aufgenommen ist, zumindest der wenigstens eine Gegenkolben (7, T) im Motorgehäuse (2) oder der zumindest eine Drehkolben (4, 4') am Rotor (3) beweglich gelagert ist und jedem Gegenkolben (7, T) zumindest ein Einlass (2.3) mit Einlassventil (13) und zumindest ein Auslass (2.3) zugeordnet sind,
- bei dem der zumindest eine Auslass (2.3) in Drehrichtung (DR) unmittelbar vor dem Gegenkolben (7, T) und an diesen anschließend der zumindest eine Einlass (2.2) in Drehrichtung (DR) angeordnet ist,
- bei dem der wenigstens eine Gegenkolben (7, T) über ein mechanisches Steuerungssystem vom Rotor (3) derart angetrieben ist, dass der Gegenkolben (7, T) der vom Rotor (3) abstehenden Kontur des Drehkolbens (A, 4') bei dessen Durchlauf berührungslos mit minimalem Abstand folgt.
2. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Einlass (2.2) innerhalb eines 90°-Sektors im Anschluss an den Gegenkolben (7, T)1 vorzugsweise unmittelbar nach dem Gegenkolben (7, T), angeordnet ist.
3. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkolben (7, 7') oder der Drehkolben (4, 4') radial zur zylinderförmigen Lauffläche (6) beweglich sind.
4. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlauf des zumindest einen Drehkolbens (4, 4') durch den Bereich des zumindest einen Gegenkolbens (7, 7') berührungslos erfolgt.
5. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (4, 4') und der in den Zylinder (5) hineinragende Teil des Gegenkolbens (7, T) näherungsweise formgleich sind.
6. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drehkolben (4, 4') fest mit dem Rotor (3) verbunden ist und eine an den Rotor (3) anschließende Grundfläche (4.1 ), eine an die Lauffläche (6) anschließende Deckfläche (4.2) sowie zwei die Grundfläche (4.1 ) bzw. die Deckfläche (4.2) verbindende Seitenflächen (4.3, 4.4) aufweist, wobei jeweils eine Seitenfläche (4.3, 4.4) mit der Grundfläche (4.1 ) einen spitzen Winkel einschließen.
7. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gegenkolben (7, 7') eine an den Rotor (3) anschließende Deckfläche (7.1) und zwei an die Deckfläche anschließende Seitenflächen (7.2, 7.3) aufweist, wobei die jeweils durch eine Seitenfläche (7.2, 7.3) und die Deckfläche (7.1 ) eingeschlossenen Winkel stumpfwinklig sind.
8. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gegenkolben (7, T) in bestimmten Stellungen des Drehkolbens (4, 4') in dem zwischen der Mantelfläche (3.1 ) des Rotors (3), der zylinderförmigen Lauffläche (6) und den Stegen (5.3) begrenzten Raum eine nahezu dichte Abtrennung bildet.
9. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Drehkolben (4, 4') näherungsweise trapezförmig ausgebildet ist und/oder dass zumindest eine Seitenfläche (4.3, 4.4) vorzugsweise leicht konvex gewölbt ist.
10. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gegenkolben (7, T) näherungsweise trapezförmig ausgebildet ist, wobei die Seitenflächen (7.2, 7.3) vorzugsweise leicht konkav gewölbt sind.
1 1. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zylinder (5) und am einstückigen Rotor (3) zumindest zwei Drehkolben (4, 4') vorgesehen sind, wobei die Drehkolben (4, 4') zueinander entlang der Rotationsachse (RA) versetzt sind, zumindest je ein Drehkolben (4, 4') in einem Zylinder (5) aufgenommen ist und die Zylinder (5) eine gemeinsame Symmetrieachse aufweisen, die in der Rotationsachse (RA) liegt.
12. Drehkolbenmotor nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei nebeneinander liegenden Drehkolben (4, 4') um 180° zueinander verdreht angeordnet sind.
13. Drehkolbenmotor nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei nebeneinander liegende Zylinder zumindest je einen Drehkolben (4, 4') und zumindest je einen Gegenkolben (7, T) aufweisen, wobei sowohl die Drehkolben (4, 4') als auch die Gegenkolben (7, T) zueinander entlang der Rotationsachse (RA) versetzt und um 180° zueinander verdreht sind.
14. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Motorgehäuse (2) eine in den zumindest einen Zylinder (5) wirkende Zündvorrichtung vorgesehen ist, vorzugsweise im auf den zumindest einen Gegenkolben (7, 7') in Drehrichtung des Rotors (3) folgenden 120°-Sektor.
15. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zylinder (5) vorgesehen sind, wobei einer der zumindest zwei Zylinder (5) als Druckzylinder (5.1) zur Komprimierung von Luft und der zumindest eine weitere Zylinder (5) als Arbeitszylinder (5.2) ausgebildet ist.
16. Drehkolbenmotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass getrennt von Druck- (5.1 ) und Arbeitszylinder (5.2) zumindest eine Druckspeichervorrichtung (10) vorgesehen ist, die zumindest zwei Druck- bzw. Zündkammern (11.1 , 11.2) aufweist.
17. Drehkolbenmotor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckzylinder (5.1) abwechselnd einer der zumindest zwei Druck- bzw. Zündkammern (1 1.1 , 1 1.2) Luft zuführt, vorzugsweise komprimierte Luft.
18. Drehkolbenmotor nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass an den zumindest zwei Druck- bzw. Zündkammern (1 1.1 , 1 1.2) geeignete Einrichtungen vorgesehen sind, die zu bestimmten Stellungen des zumindest einen Drehkolbens (4, 4') abwechselnd einer der zumindest zwei Druck- bzw. Zündkammern (1 1.1 , 11.2) flüssigen und/oder gasförmigen Treibstoff zuführen und diesen ggf. zünden.
19. Drehkolbenmotor nach Anspruch 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch weitere Ventile (22.1, 22.2) verschließbarer Verbindungskanal (25) zwischen den zumindest zwei Druck- bzw. Zündkammern (1 1.1 , 1 1.2) und dem Arbeitszylinder (5.2) vorgesehen ist, die den in einer Druck- bzw. Zündkammer (1 1) durch Explosion des Treibstoff-Luft-Gemischs entstehenden Druck in den Arbeitszylinder (5.2) ableitet.
20. Drehkolbenmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den beiden Stirnseiten des Rotors (3) Deckel (8) mit schaufelradartigen Ausnehmungen (8.1) und Bohrungen (8.2) vorgesehen sind, die auf ein zur Kühlung dienendes flüssiges oder zähflüssiges Medium eine Pumpwirkung ausüben und das Medium durch vorgesehene Kanäle in alle zu kühlende Bereiche des Drehkolbenmotors (1 ) transportieren.
21.Steuerungssystem zur Ansteuerung zumindest eines in einem
Gegenkolbengehäuseabschnitt (12) geführten Gegenkolbens (7, T) eines Drehkolbenmotors (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkolben (7, 7') derart aus dem Zylinder (5) gehoben wird, dass die Deck- (7.1) bzw. Seitenflächen (7.2, 7.3) des Gegenkolbens (7, T) der vom Rotor (3) abstehenden Kontur des Drehkolbens (4, 4') bei dessen Durchlauf berührungslos mit minimalem Abstand, vorzugsweise einem Abstand kleiner 0,5mm, folgen.
22. Steuerungssystem nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung des Gegenkolbens (7, T) ausschließlich durch mechanische Baugruppen realisiert ist.
23. Steuerungssystem nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenkolben (7, T) durch Einwirken zumindest einer Nockenschale (43) und zumindest einer Nocke (42) auf einen mit dem Gegenkolben (7, T) verbundenen Hebelmechanismus (48) aus dem Zylinder (5) gehoben wird.
24. Steuerungssystem nach Anspruch 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Nockenschale (43) direkt, die zumindest eine Nocke (42) über zumindest eine Federanordnung (47) indirekt über einen gemeinsamen Hebelmechanismus (48) auf den Gegenkolben (7, 7') einwirken.
25. Steuerungssystem nach Anspruch 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass ausschließlich die Innen- bzw. Außenkontur (43.1 , 43.2) der Nockenschale (43) die Hubbewegung des Gegenkolbens (7, 7') bestimmt.
26. Steuerungssystem nach Anspruch 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Nocke (42) die durch die zumindest eine Nockenschale (43) bestimmte Hubbewegung des Gegenkolbens (7, 7') unterstützt, insbesondere an Stellen großer Steigung der Innenkontur (43.1 ) der zumindest einen Nockenschale (43).
27. Steuerungssystem nach Anspruch 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelmechanismus (48) die von der zumindest einen Nockenschale (43) erzeugte Hubbewegung mittels eines Übersetzungsverhältnisses vergrößert.
28. Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines Drehkolbenmotors (1) bestehend aus einem Motorgehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (2.1 ) mit zumindest einem Einlass (2.2) und zumindest einem Auslass (2.3), in dem in vorgegebener Drehrichtung (DR) drehbar um eine Rotationssachse (RA) ein zylinderförmiger Rotor (3) in einer konzentrisch zur Rotationssachse (RA) verlaufenden zylinderförmigen Lauffläche (6) aufgenommen ist, die mit der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) und seitlichen Stegen (5.3) zumindest einen im Querschnitt kreisringförmigen Zylinder (5) einschließt, bei dem auf der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) zumindest ein Drehkolben (4, 4') angeordnet ist, wobei wenigstens ein Gegenkolben (7, T) zumindest teilweise im Motorgehäuse (2) aufgenommen ist, zumindest der wenigstens eine Gegenkolben (7, T) im Motorgehäuse (2) oder der zumindest eine Drehkolben (4, 4') am Rotor (3) beweglich gelagert ist und jedem Gegenkolben (7, T) zumindest ein Einlass (2.3) und zumindest ein Auslass (2.3) zugeordnet sind, wobei der zumindest eine Auslass (2.3) in Drehrichtung (DR) unmittelbar vor dem Gegenkolben (7, 7') und an diesen anschließend der zumindest eine Einlass (2.2) angeordnet sind, bei dem zur Unterteilung des im Querschnitt kreisringförmigen Zylinders (5) in einen ersten und einen zweiten Zylinderraum (5.a, 5.b) der Gegenkolben (7, T) radial in den Zylinder (5) eingeführt wird, bei dem durch Drehen des Drehkolbens (4, 4') ausgehend vom Gegenkolben (7, T) in Drehrichtung (DR) über den Einlass (2.3) in den ersten Zylinderraum (5.a) ein Treibstoff-Luft-Gemisch angesaugt wird und gleichzeitig das im zweiten Zylinderraum (5.b) vom Vortakt befindliche Abgas über den Auslass (2.3) ausgestoßen wird.
29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen eines vorgegebenen Drehwinkels das im ersten Zylinderraum (5.a) befindliche Treibstoff-Luft-Gemisch durch eine Zündeinrichtung zur Explosion gebracht wird.
30. Verfahren nach Anspruch 28 und 29, dadurch gekennzeichnet, dass beim Durchlauf des Drehkolbens (4, 4') der Gegenkolben (7, T) annähernd synchron zum Drehkolben (4, 4') aus dem Zylinder (5, 5') gehoben und nach dem Durchlauf wieder in den Zylinder (5) zurückgeführt wird.
31. Verfahren zum taktgesteuerten Betreiben eines Drehkolbenmotors (1 ) bestehend aus zumindest einen Druckzylinder (5.1) und einem Arbeitszylinder (5.2), die jeweils aus zumindest einem Motorgehäuse (2) mit einem Gehäuseinnenraum (2.1) mit zumindest einem Einlass (2.2) und zumindest einem Auslass (2.3) bestehen, in dem in vorgegebener Drehrichtung (DR) drehbar um eine Rotationssachse (RA) ein zylinderförmiger Rotor (3) in einer konzentrisch zur Rotationssachse (RA) verlaufenden zylinderförmigen Lauffläche (6) aufgenommen ist, die mit der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) und seitlichen Stegen (5.3) zumindest den im Querschnitt kreisringförmigen Druck- bzw. Arbeitszylinder (5.1 , 5.2) einschließt, bei dem auf der Mantelfläche (3.1) des Rotors (3) zumindest ein Drehkolben (4, 4') angeordnet ist, wobei wenigstens ein Gegenkolben (7, T) zumindest teilweise im Motorgehäuse (2) aufgenommen ist, zumindest der wenigstens eine Gegenkolben (7, T) im Motorgehäuse (2) oder der zumindest eine Drehkolben (4, 4') am Rotor (3) beweglich gelagert ist und jedem Gegenkolben (7, T) zumindest ein Einlass (2.3) und zumindest ein Auslass (2.3) zugeordnet sind, wobei der zumindest eine Auslass (2.3) in Drehrichtung (DR) unmittelbar vor dem Gegenkolben (7, T) und an diesen anschließend der zumindest eine Einlass (2.2) angeordnet sind, bei dem über den Druckzylinder (5.1) Luft angesaugt und komprimiert wird, bei dem die komprimierte Luft einer Druckspeichervorrichtung (10) zugeführt wird, bei dem zur Bildung eines Treibstoff-Luft-Gemisches in der Druckspeichervorrichtung (10) der komprimierten Luft Treibstoff zugeführt und anschließend in der Druckspeichervorrichtung (10) das Treibstoff-Luft-Gemisch gezündet wird und bei dem der durch die Explosion entstehende Druck dem Arbeitszylinder (5.2) zugeführt wird.
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