DE102010006466A1

DE102010006466A1 - Rotationskolbenmotor

Info

Publication number: DE102010006466A1
Application number: DE102010006466A
Authority: DE
Inventors: Peter 89537 Hruschka
Original assignee: Brands & Products Ipr Holding & Co Kg 80796 GmbH; Brands and Products IPR Holding GmbH and Co KG
Current assignee: Brands & Products Ipr Holding & Co Kg 80796 GmbH; Brands and Products IPR Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-02
Also published as: WO2011092035A3; EP2531699A2; KR20120139736A; DE102010006466B4; WO2011092035A2; RU2565486C2; RU2012137175A; CN103003525A; CN103003525B; KR101524239B1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, umfassend eine Verdichtungsstufe und eine Expansionsstufe mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases. Um einen Rotationskolbenmotor bereitzustellen, der noch kürzere Gaswege ermöglicht als ein herkömmlicher Rotationskolbenmotor, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und der Expansionsstufe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, umfassend eine Verdichtungsstufe und eine Expansionsstufe mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases.
Ein gattungsgemäßer Rotationskolbenmotor ist aus der WO 2008/071326 A1 bekannt.
Ein Rotationskolbenmotor ist ein Verbrennungsmotor auf der Basis von rotierenden und funktionell miteinander korrespondierenden Rotationskolben für die Verdichtung bzw. Kompression von Verbrennungsgasen und Expansion von verbrannten Gasen. Das Verbrennungsgas und das verbrannte Gas werden im Rahmen dieser Beschreibung vereinfachend als Arbeitsgas bezeichnet. Bei einem Rotationskolbenmotor sind die Verdichtung des Arbeitsgases und der Übergang des Arbeitsgases von der Verdichtungsstufe in die Expansionsstufe entscheidend für den Wirkungsgrad des Motors. Rotationskolbenmotoren weisen wesentlich höhere Drehzahlen auf als Hubkolbenmotoren wie bspw. Otto-Motoren mit Kolben-Pleuel-Kurbelwelle, führen aber die gleichen Arbeitstakte aus, nämlich Ansaugen, Verdichtung, Zündung und Expansion. Da das Kompressionsvolumen bei Rotationskolbenmotoren erheblich kleiner ist als bei Hubkolbenmotoren, finden deutlich mehr Gasübergänge zwischen den Arbeitstakteinheiten statt und die Leistungsdichte ist wesentlich höher.
Die Realisierung von kurzen bis extrem kurzen Gaswegen bzw. Leitungsabschnitten zur Förderung des Arbeitsgases zwischen den Arbeitstakteinheiten ist eine wichtige Forderung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotationskolbenmotor bereitzustellen, der noch kürzere Gaswege ermöglicht als ein herkömmlicher Rotationskolbenmotor.
Um die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe zu lösen, wird der Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1 bereit gestellt, der eine Verdichtungsstufe und eine Expansionsstufe mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases umfasst, wobei die Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und der Expansionsstufe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind. Die Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und der Expansionsstufe können somit in axialer Richtung, d. h. entlang der Rotationsachse, überlappend und unmittelbar benachbart zueinander angeordnet werden, so dass die Gaswege zwischen Expansions- und Verdichtungsstufe gegenüber der herkömmlichen Lösung erheblich verkürzt sind und die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird. Vorzugsweise sind auch Hilfskolben, die mit den Arbeitskolben zur Bildung von Verdichtungs- und Expansionskammern mit variierendem Volumen zusammenwirken, in axialer Richtung hintereinander angeordnet und/oder um eine gemeinsame Achse drehbar, so dass die Drehbewegungen der Arbeits- und Hilfskolben leicht synchronisiert werden können.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Es kann von Vorteil sein, wenn die Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und der Expansionsstufe auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und der Expansionsstufe drehfest verbunden oder einteilig bzw. einstückig ausgebildet. Dadurch kann die Expansionsstufe die Verdichtungsstufe nach dem Prinzip einer Fluggasturbine nahezu verlustfrei antreiben, so dass die Notwendigkeit einer Kupplung oder Kraftübertragungseinrichtung zwischen Expansions- und Verdichtungsstufe entfällt.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn das verdichtete Arbeitsgas zur Zündung radial nach innen in Richtung der Rotationsachse der Arbeitskolben abgeleitet wird. Dadurch kann ein Volumen innerhalb des Arbeitskolbens der Verdichter- und/oder Expansionsstufe zur Zündung und Verbrennung des Arbeitsgases genutzt werden und die Gaswege zwischen Expansions- und Verdichtungsstufe können gegenüber der herkömmlichen Lösung weiter verkürzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfüllt die Verdichtungsstufe zumindest eine der folgenden Anforderungen:

– Das verdichtete Arbeitsgas wird zur Zündung durch den Arbeitskolben geleitet. Dadurch kann das verdichtete Arbeitsgas auf kurzem Wege in eine innerhalb des Arbeitskolbens angeordnete Zündkammer eingeleitet werden. Durch kurze Leitungswege ergeben sich geringe Druckverluste sowie hohe Verdichtungsverhältnisse.
– Der Arbeitskolben umfasst wenigstens eine Öffnung, die den Arbeitskolben durchdringt. Vorzugsweise kann die Verdichtungsstufe, insbesondere eine Verdichtungskammer, die durch den Arbeitskolben, das Gehäuse und einen mit dem Arbeitskolben zusammenwirkenden Hilfskolben gebildet wird, in einem bestimmten Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens über die Öffnung direkt mit der Zündkammer kommunizieren. Um ein Rückströmen des verdrängten Arbeitsgases in die Verdichtungskammer zu verhindern, kann zwischen der Verdichtungskammer und der Zündkammer, vorzugsweise im Bereich der Öffnung, ein Rückschlagventil bzw. Einwegeventil angeordnet sein, welches das Arbeitsgas nur von der Verdichtungskammer in die Zündkammer übertreten lässt, nicht aber umgekehrt. Vorzugsweise umfasst die Öffnung eine Vielzahl paralleler Bohrungen, die axial voneinander beabstandet sind.
– Die Öffnung durchdringt den Arbeitskolben im Wesentlichen in radialer Richtung. Dadurch kann das verdichtete Arbeitsgas auf kürzestem Wege in eine innerhalb des Arbeitskolbens angeordnete Zündkammer eingeleitet werden. So ergeben sich minimale Druckverluste sowie besonders hohe Verdichtungsverhältnisse.
– Der Arbeitskolben umfasst eine Mantelfläche, die gemeinsam mit einem Gehäuse des Rotationskolbenmotors wenigstens einen Ringraumabschnitt definiert. In diesem Ringraumabschnitt kann das Arbeitsgas während einer kontinuierlichen Rotationsbewegung des Arbeitskolbens angesaugt, durchmischt und verdichtet werden.
– Die Mantelfläche des Arbeitskolbens ist im Wesentlichen zylindrisch. Dadurch kann der zwischen Gehäuse und Mantelfläche ausgebildete Ringraumabschnitt ideal abdichtet werden. Allerdings kann die Mantelfläche des Arbeitskolbens auch konkav oder konvex ausgebildet sein.
– Der Arbeitskolben umfasst wenigstens einen Schieber, der vorzugsweise radial von der Mantelfläche des Arbeitskolbens vorspringt. Der Schieber bewirkt bei einer kontinuierlichen Rotationsbewegung des Arbeitskolbens, dass ein in den zwischen Gehäuse und Mantelfläche ausgebildeten Ringraumabschnitt eingeleitetes Arbeitsgas ideal angesaugt, durchmischt und verdichtet wird.
– Der Schieber ist im Querschnitt gesehen evolventenförmig ausgebildet. Dabei bilden die Flanken des Schiebers Teile von Evolventen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich der Arbeitskolben und der Hilfskolben im Querschnitt gesehen in drei Punkten besonders dicht gegenüberstehen und hervorragend gegeneinander abgedichtet sind. Ferner ergeben sich optimale Strömungseigenschaften des Arbeitsgases. Vorzugsweise verjüngt sich der Schieber vom Fußpunkt zur Spitze und bildet im Kammbereich einen spitzen Winkel.
– Der Schieber definiert gemeinsam mit einem Gehäuse des Rotationskolbenmotors und der Mantelfläche des Arbeitskolbens einen vorzugsweise zu allen Seiten hin abgedichteten Ringraumabschnitt. Dadurch lässt sich das Arbeitsvolumen der Verdichtungsstufe in mehrere diskrete Abschnitte unterteilen.
– Der Arbeitskolben umfasst mehrere Schieber, die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens in regelmäßigen Winkelabständen von der Mantelfläche des Arbeitskolbens hervorstehen. Dadurch kann die Anzahl der pro Umdrehung des Arbeitskolbens ablaufenden Arbeitszyklen beliebig erhöht werden.
– Der Arbeitskolben umfasst drei Schieber, die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens in Winkelabständen von 120° von der Mantelfläche des Arbeitskolbens hervorstehen. Bei der Anzahl von drei Schiebern können sich besonders vorteilhafte Leistungseigenschaften des Motors ergeben.
– Die Öffnung endet auf einer Flanke des Schiebers, vorzugsweise auf einer in Drehrichtung vorne gelegenen Flanke des Schiebers. Dadurch kann ein Volumen der Verdichtungskammer optimal genutzt werden und es können besonders hohe Verdichtungsverhältnisse erzielt werden.
– Der Arbeitskolben ist als doppelwandiger Hohlzylinder ausgebildet, wobei ein Innenzylinder des Arbeitskolbens vorzugsweise eine größere axiale Länge als ein Außenzylinder des Arbeitskolbens aufweist. Durch diese Ausgestaltung weist der Arbeitskolben eine besonders stabile Bauform auf.
– Der Arbeitskolben wirkt mit einem Hilfskolben zusammen, um zumindest eine Verdichtungskammer mit variablem Volumen zu definieren. Vorzugsweise bilden der Arbeitskolben und der Hilfskolben gemeinsam mit dem Gehäuse eine Verdichtungskammer mit einem sich verkleinernden Volumen, wenn der Arbeitskolben und der Hilfskolben im bestimmungsgemäßen Drehsinn aneinander abwälzen.
– Der Arbeitskolben wirkt mit einem Hilfskolben zusammen, um zumindest eine Ansaugkammer mit variablem Volumen zu definieren. Vorzugsweise bilden der Arbeitskolben und der Hilfskolben gemeinsam mit dem Gehäuse eine Ansaugkammer mit einem sich vergrößernden Volumen, wenn der Arbeitskolben und der Hilfskolben im bestimmungsgemäßen Drehsinn aneinander abwälzen.
– Der Hilfskolben umfasst eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche.
– Der Hilfskolben umfasst eine auf die Anzahl der Schieber des Arbeitskolbens abgestimmte Anzahl von Ausnehmungen.
– Der Arbeitskolben und der Hilfskolben wälzen nach Art einer Evolventenverzahnung vorzugsweise berührungslos aneinander ab, wobei ein Schieber dichtend in einer Ausnehmung aufgenommen wird.
– Der Arbeitskolben und der Hilfskolben sind zwangssynchronisiert drehbar.

In einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfüllt die Expansionsstufe zumindest eine der folgenden Anforderungen:

– Das gezündete Arbeitsgas wird zur Expansion radial nach außen, von der Rotationsachse der Arbeitskolben wegführend, geleitet. Durch kurze Leitungswege ergeben sich geringe Druckverluste und ein hoher Wirkungsgrad des Rotationskolbenmotors.
– Das gezündete Arbeitsgas wird zur Expansion durch den Arbeitskolben der Expansionsstufe geleitet. Dadurch kann das gezündete Arbeitsgas auf kurzem Wege in die Expansionskammer geleitet werden. So ergeben sich sehr geringe Druckverluste und ein sehr hoher Wirkungsgrad des Rotationskolbenmotors.
– Der Arbeitskolben umfasst zumindest eine Öffnung, die den Arbeitskolben durchdringt. Vorzugsweise kann die Expansionsstufe, insbesondere eine Expansionskammer, die durch den Arbeitskolben, das Gehäuse und einen mit dem Arbeitskolben zusammenwirkenden Hilfskolben gebildet wird, in einem bestimmten Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens über die Öffnung direkt mit der Zündkammer kommunizieren. Vorzugsweise weist die den Arbeitskolben der Expansionsstufe durchdringende Öffnung eine größere Gesamtquerschnittsfläche auf als die den Arbeitskolben der Verdichtungsstufe durchdringende Öffnung.
– Die Öffnung durchdringt den Arbeitskolben im Wesentlichen in radialer Richtung. Dadurch kann das gezündete Arbeitsgas auf kürzestem Wege in die Expansionskammer geleitet werden. Dadurch ergeben sich besonders geringe Druckverluste und ein besonders hoher Wirkungsgrad des Rotationskolbenmotors.
– Der Arbeitskolben umfasst eine Mantelfläche, die gemeinsam mit einem Gehäuse des Rotationskolbenmotors wenigstens einen Ringraumabschnitt definiert. In diesem Ringraumabschnitt kann das gezündete Arbeitsgas während einer kontinuierlichen Rotationsbewegung des Arbeitskolbens optimal expandiert und ausgestoßen werden.
– Die Mantelfläche des Arbeitskolbens ist im Wesentlichen zylindrisch. Dadurch kann der zwischen Gehäuse und Mantelfläche ausgebildete Ringraumabschnitt ideal abgedichtet werden. Allerdings kann die Mantelfläche des Arbeitskolbens auch konkav oder konvex ausgebildet sein.
– Der Arbeitskolben umfasst zumindest einen Schieber, der vorzugsweise radial von der Mantelfläche des Arbeitskolbens vorspringt. Der Schieber bewirkt bei einer kontinuierlichen Rotationsbewegung des Arbeitskolbens, dass die durch Verbrennung des Arbeitsgases freigesetzte Energie optimal auf den Arbeitskolben wirkt und in Rotationsenergie umgesetzt wird.
– Der Schieber ist im Querschnitt gesehen evolventenförmig ausgebildet. Dabei bilden die Flanken des Schiebers Teile von Evolventen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass sich der Arbeitskolben und der Hilfskolben im Querschnitt gesehen in drei Punkten besonders dicht gegenüberstehen und hervorragend gegeneinander abgedichtet sind. Ferner ergeben sich optimale Strömungseigenschaften des Arbeitsgases. Diese Querschnittsform begünstigt die Strömungseigenschaften des expandierenden Arbeitsgases in dem zwischen Gehäuse und Mantelfläche ausgebildeten Ringraumabschnitt.
– Der Schieber definiert gemeinsam mit einem Gehäuse des Rotationskolbenmotors und der Mantelfläche des Arbeitskolbens einen vorzugsweise zu allen Seiten hin abgedichteten Ringraumabschnitt. Dadurch kann das Arbeitsvolumen der Expansionsstufe in mehrere diskrete Abschnitte unterteilt werden.
– Der Arbeitskolben umfasst mehrere Schieber, die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens in regelmäßigen Winkelabständen von der Mantelfläche des Arbeitskolbens hervorstehen. Dadurch kann die Anzahl der pro Umdrehung des Arbeitskolbens ablaufenden Arbeitszyklen beliebig erhöht werden.
– Der Arbeitskolben umfasst drei Schieber, die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens in Winkelabständen von 120° von der Mantelfläche des Arbeitskolbens hervorstehen. Bei dieser Anzahl von Schiebern können sich besonders vorteilhafte Leitungseigenschaften des Motors ergeben.
– Die Öffnung endet auf einer Flanke des Schiebers, vorzugsweise auf der in Drehrichtung hinten gelegenen Flanke des Schiebers. Dadurch kann die Expansionsenergie des gezündeten Arbeitsgases zusätzlich als Antrieb zur Beschleunigung des Arbeitskolbens genutzt werden. Vorzugsweise wirkt die auf der Flanke des Schiebers endende Öffnung als Düse, so dass der Arbeitskolben beim Austritt des Arbeitsgases mit einem Drehmoment beaufschlagt wird.
– Der Arbeitskolben ist als einwandiger Zylinder ausgebildet. In dieser Bauform kann der Arbeitskolben kostengünstig hergestellt werden.
– Der Arbeitskolben wirkt mit einem Hilfskolben zusammen, um zumindest eine Expansionskammer mit variablem Volumen zu definieren. Vorzugsweise bilden der Arbeitskolben und der Hilfskolben gemeinsam mit dem Gehäuse eine Expansionskammer mit einem sich vergrößernden Volumen, wenn der Arbeitskolben und der Hilfskolben im bestimmungsgemäßen Drehsinn aneinander abwälzen.
– Der Hilfskolben umfasst eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche.
– Der Hilfskolben umfasst eine auf die Anzahl der Schieber des Arbeitskolbens abgestimmte Anzahl von Ausnehmungen.
– Der Arbeitskolben und der Hilfskolben wälzen nach Art einer Evolventenverzahnung vorzugsweise berührungslos aneinander ab, wobei ein Schieber dichtend in einer Ausnehmung aufgenommen wird.
– Der Arbeitskolben und der Hilfskolben sind zwangssynchronisiert drehbar.

Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Rotationskolbenmotor eine Zündkammer aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:

– Die Zündkammer ist zumindest abschnittsweise radial innerhalb des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe und/oder radial innerhalb des Arbeitskolbens der Expansionsstufe angeordnet. Diese Anordnung erweist sich als besonders kompakt.
– Die Zündkammer kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens mit der Verdichtungsstufe, insbesondere mit der Verdichtungskammer, kommunizieren. Dadurch wird das verdichtete Arbeitsgas nicht schlagartig in die Zündkammer eingeleitet. Im Ergebnis können bessere Verbrennungseigenschaften erzielt werden. Der optimale Zündzeitpunkt und das optimale Zeitfenster für das Einleiten des Arbeitsgases in die Zündkammer variieren mit den Betriebsbedingungen des Rotationskolbenmotors. Die erfindungsgemäß vorgesehene Verstellbarkeit des Zeitfensters für das Einleiten des Arbeitsgases in die Zündkammer und/oder die erfindungsgemäß vorgesehene Verstellbarkeit des Zündzeitpunkts im Verhältnis zu einer Drehwinkelstellung des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe kann die Leistung des Rotationskolbenmotors erheblich verbessern.
– Die Zündkammer kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens mit der Expansionsstufe, insbesondere mit der Expansionskammer, kommunizieren. Dadurch wird das entzündete Arbeitsgas nicht schlagartig in die Expansionskammer eingeleitet. Im Ergebnis können bessere Expansionseigenschaften erzielt werden. Insbesondere kann der Schieber des Arbeitskolbens rechtwinklig mit der Kraft des expandierenden Arbeitsgases beaufschlagt werden. Somit kann gewährleistet werden dass die Expansionsenergie des Arbeitsgases maximal ausgenutzt werden kann. Das optimale Zeitfenster für das Einleiten des Arbeitsgases in die Expansionskammer variiert mit den Betriebsbedingungen des Rotationskolbenmotors. Die erfindungsgemäß vorgesehene Verstellbarkeit des Zeitfensters für das Einleiten des Arbeitsgases in die Expansionskammer im Verhältnis zu einer Drehwinkelstellung des Arbeitskolbens der Expansionsstufe kann die Leistung des Rotationskolbenmotors erheblich verbessern.
– Die Zündkammer kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens weder mit der Verdichtungsstufe noch mit der Expansionsstufe kommunizieren. Dadurch kann ein verdichtetes Arbeitsgas auch ohne gesonderte Ventile in der Zündkammer eingeschlossen werden.
– Die Zündkammer umfasst einen Zündkammerzulauf, der in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe über die Öffnung mit einer Verdichtungskammer kommunizieren kann.
– Die Zündkammer umfasst einen Zündkammerablauf, der in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens der Expansionsstufe über die Öffnung mit einer Expansionskammer kommunizieren kann.
– Die Zündkammer umfasst eine Zündkerze, die im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Arbeitskolben ausgerichtet ist.

Es kann hilfreich sein, wenn der Rotationskolbenmotor eine Steuerkonsole aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:

– Die Steuerkonsole ist verstellbar, vorzugsweise verdrehbar, im Gehäuse des Rotationskolbenmotors angeordnet.
– Die Steuerkonsole kann gegenüber dem Gehäuse des Rotationskolbenmotors um einen Winkel von +/–30°, vorzugsweise +/–20°, bevorzugt +/–10°, besonders bevorzugt +/–5° bezogen auf die Rotationsachse der Arbeitskolben verdreht werden.
– Die Zündkammer und/oder der Zündkammerzulauf und/oder der Zündkammerablauf und/oder die Zündkerze ist/sind in der Steuerkonsole angeordnet.
– Die Steuerkonsole umfasst einen ersten zylindrischen Abschnitt, der radial innerhalb des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe angeordnet ist. Dieser Abschnitt hat vorzugsweise keine Lagerfunktion und ist von dem Innenzylinder und/oder von dem Außenzylinder des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe geringfügig beabstandet, so dass sich jeweils ein Spalt ergibt. Gegebenenfalls kann zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt der Steuerkonsole und dem Arbeitskolben der Verdichtungsstufe aber ein Rillenkugellager vorgesehen werden. Vorzugsweise umfasst der erste zylindrische Abschnitt den Zündkammerzulauf, der auf einer Mantelfläche eine in Umfangsrichtung verlaufende Rinne oder Nut aufweist. Diese Rinne oder Nut wird in einem entsprechenden Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe von der Öffnung im Arbeitskolben der Verdichtungsstufe überstrichen und kann mit dieser Öffnung kommunizieren, so dass das verdichtete Arbeitsgas in die Zündkammer einströmen kann. Vorzugsweise befindet sich in Drehrichtung des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe am Ende der Rinne oder Nut eine Öffnung, über welche die Rinne oder Nut mit einem in die Zündkammer führenden Kanal kommunizieren kann. Bevorzugt ist für jede Öffnung pro Schieber am Arbeitskolben der Verdichtungsstufe eine entsprechende Rinne oder Nut vorgesehen.
– Die Steuerkonsole umfasst einen zweiten zylindrischen Abschnitt, der radial innerhalb des Arbeitskolbens der Expansionsstufe angeordnet ist. Dieser Abschnitt hat vorzugsweise keine Lagerfunktion und ist von dem Arbeitskolben der Expansionsstufe geringfügig beabstandet, so dass sich ein Spalt ergibt. Gegebenenfalls kann zwischen dem zweiten zylindrischen Abschnitt der Steuerkonsole und dem Arbeitskolben der Expansionsstufe aber ein Rillenkugellager vorgesehen werden. Vorzugsweise umfasst die Steuerkonsole auf einer Mantelfläche des zweiten zylindrischen Abschnitts einen Zündkammerablauf mit zumindest einer in Umfangsrichtung verlaufenden Öffnung, die in einem entsprechenden Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens der Expansionsstufe von der Öffnung im Arbeitskolben der Expansionsstufe überstrichen wird und mit dieser Öffnung kommunizieren kann. Bevorzugt ist für jeden Zündkammerablauf eine entsprechende Öffnung pro Schieber am Arbeitskolben der Expansionsstufe vorgesehen.

Es kann von Vorteil sein, wenn der Rotationskolbenmotor ein Gehäuse aufweist, das zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:

– Das Gehäuse ist mehrteilig aus im Wesentlichen plattenförmigen Teilen aufgebaut. Die modulare Bauweise erleichtert die Montage des Gehäuses.
– Das Gehäuse umfasst einen vorderseitigen Gehäusedeckel, einen Gehäuserahmen für die Verdichtungsstufe, einen Gehäuserahmen für die Expansionsstufe und einen rückseitigen Gehäusedeckel. Durch separate Gehäuserahmen für die Verdichtungsstufe und die Expansionsstufe sowie beidseitige Gehäusedeckel können die entsprechenden Bauteile optimal montiert werden.
– Zumindest zwei Gehäuseteile sind gegeneinander abgedichtet. Dadurch ergeben sich im Betrieb des Rotationskolbenmotors geringe Druckverluste und ein hoher Wirkungsgrad.
– Das Gehäuse umfasst einen im Wesentlichen quaderförmigen Umriss. Diese Bauform erweist sich als besonders kompakt und stabil.
– Das Gehäuse umfasst eine Schnittstelle für einen Kraftstoffzulauf und/oder eine Schnittstelle für einen Gehäuse-Kühlkreislauf und/oder eine Schnittstelle für einen Steuerkonsolen-Kühlkreislauf und/oder einen Abgasausgang und/oder Schnittstellen für Daten- und Signalübertragung. Dadurch kann der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor leicht an bestehende Einrichtungen angeschlossen werden.
– Das Gehäuse umfasst einen Kraftstoffzulauf, in welchem einem Kugelrückschlagventil angeordnet ist.

Es kann sich als nützlich erweisen, wenn der Rotationskolbenmotor zumindest eine Welle aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt:

– Die Welle ist drehbar im Gehäuse angeordnet.
– Die Welle erstreckt sich vollständig durch das Gehäuse und steht auf gegenüber liegenden Seiten aus dem Gehäuse hervor.
– Die Welle ist als Arbeitswelle ausgebildet, auf welcher der Arbeitskolben der Verdichtungsstufe und/oder der Arbeitskolben der Expansionsstufe fest oder verstellbar angeordnet ist/sind.
– Die Welle ist als Hilfswelle ausgebildet, auf welcher Hilfskolben der Verdichtungsstufe und/oder der Hilfskolben der Expansionsstufe fest oder verstellbar angeordnet ist/sind.
– Die Arbeits- und Hilfswellen sind durch ein Getriebe miteinander gekoppelt.
– Das Getriebe ist als Zahnradgetriebe ausgebildet.
– Die Zahnräder des Zahnradgetriebes sind außerhalb des Gehäuses angeordnet.
– Die Zahnräder des Zahnradgetriebes sind als Stirnräder, vorzugsweise schräg verzahnte Stirnräder, ausgebildet.
– Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes beträgt 1:1.

Es kann praktisch sein, wenn der Rotationskolbenmotor zumindest einen Kühlkreislauf aufweist. Vorzugsweise umfasst der Rotationskolbenmotor zumindest zwei getrennte Kühlkreisläufe, bspw. für das Gehäuse und/oder für die Steuerkonsole.
Es kann sich als hilfreich erweisen, wenn der Rotationskolbenmotor einen Vergaser zur Aufbereitung des Arbeitsgases aufweist.
Es kann sich aber auch als hilfreich erweisen, wenn der Rotationskolbenmotor eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Arbeitsgases in die Verdichtungsstufe oder in die Zündkammer aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, umfassend eine Verdichtungsstufe und eine Expansionsstufe mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases sowie eine Zündkammer zur Zündung und Verbrennung des Arbeitsgases, wobei die Zündkammer in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des jeweiligen Arbeitskolbens mit der Verdichtungsstufe und/oder mit der Expansionsstufe kommunizieren kann. Vorzugsweise ist/sind der Beginn und/oder das Ende des Drehwinkelbereichs verstellbar und/oder der Drehwinkelbereich kann als solcher verschoben werden. In einem ersten verstellbaren Drehwinkelbereich kann die Zündkammer bevorzugt nur mit der Verdichtungsstufe kommunizieren, in einem zweiten verstellbaren Drehwinkelbereich bevorzugt weder mit der Verdichtungsstufe noch mit der Expansionsstufe kommunizieren, und in einem dritten verstellbaren Drehwinkelbereich bevorzugt nur mit der Expansionsstufe kommunizieren. Der Rotationskolbenmotor nach diesem Aspekt der Erfindung ist mit jedem der in der Beschreibung und den Ansprüchen genannten Merkmale kombinierbar.
Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Drehwinkelbereich des jeweiligen Arbeitskolbens, in welchem die Zündkammer mit der Verdichtungsstufe und/oder mit der Expansionsstufe kommunizieren kann, in Abhängigkeit von einer Messgröße, vorzugsweise der Drehzahl des jeweiligen Arbeitskolbens, gesteuert oder geregelt wird. Vorzugsweise ist/sind der Beginn und/oder das Ende des Drehwinkelbereichs regel- oder steuerbar und/oder der Drehwinkelbereich kann als solcher verschoben werden.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor, umfassend eine Verdichtungsstufe und eine Expansionsstufe mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases sowie eine Zündkammer zur Zündung und Verbrennung des Arbeitsgases, wobei die Zündkammer zumindest abschnittsweise radial innerhalb des Arbeitskolbens der Verdichtungsstufe und/oder radial innerhalb des Arbeitskolbens der Expansionsstufe angeordnet ist. Der Rotationskolbenmotor nach diesem Aspekt der Erfindung ist mit jedem der in der Beschreibung und den Ansprüchen genannten Merkmale kombinierbar.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich durch Kombinationen der in den Ansprüchen und in der Beschreibung genannten Merkmale und Teilmerkmale.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
2 zeigt eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
3 zeigt einen Schnitt III-III aus 2, der durch die Arbeits- und Hilfswellen verläuft.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorderseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
5 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Vorderseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
6 zeigt eine perspektivische Ansicht der Rückseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
7 zeigt eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
8 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Rückseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
9 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Arbeitswelle des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit Steuerkonsole und ohne Stirnrad.
10 zeigt eine perspektivische Ansicht der Arbeitswelle des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit Steuerkonsole und mit Stirnrad.
11 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Arbeitswelle des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit Steuerkonsole und mit Stirnrad.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht der Arbeitswelle und der Hilfswelle des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors im Kopplungszustand.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht der Steuerkonsole des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
14 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Steuerkonsole des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors.
15 zeigt eine Explosionsdarstellung der Arbeitswelle des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit Steuerkonsole.
16 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Arbeitswelle und der Steuerkonsole des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors im bestimmungsgemäßen Montagezustand ohne Stirnrad.
17 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorderseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors im bestimmungsgemäßen Montagezustand ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung.
18 zeigt den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor im bestimmungsgemäßen Montagezustand ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung in einem Arbeitszustand der Verdichtungsstufe.
19 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung in einem ersten Arbeitszustand der Expansionsstufe.
20 zeigt schematisch den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung in einem zweiten Arbeitszustand der Expansionsstufe.
Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 mit dessen einzelnen Bestandteilen wird nachstehend mit Bezug auf die 1 bis 18 detailliert beschrieben.
Gehäuse
1 zeigt eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1. Das Gehäuse 10 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 umfasst einen vorderseitigen Gehäusedeckel 101, einen Gehäuserahmen 102 für die Verdichtungsstufe 2, einen Gehäuserahmen 103 für die Expansionsstufe 3 und einen rückseitigen Gehäusedeckel 104. Die Rahmenteile werden über Verbindungsmittel, bspw. in der Gestalt von Schraubenbolzen 105, welche die Rahmenteile 102, 103 und die vorder- und rückseitigen Gehäusedeckel 101 und 104 durchdringen, zusammengehalten. Am Gehäuse befinden sich diverse Peripherie-Schnittstellen wie Anschlüsse für einen Kraftstoffzulauf 11 (2), Anschlüsse 12 (2) für einen Gehäuse-Kühlkreislauf, Anschlüsse 13 für einen Steuerkonsolen-Kühlkreislauf, ein Abgasrohr bzw. Auspuff 14, ein Anschlussstück für Zündkerzen 15, ein Zündkabel 16 sowie eine Verstellvorrichtung 17 für eine Steuerkonsole 6. Zusätzlich können Anschlüsse für eine elektronische Daten- und/oder Signalübertragung vorgesehen werden. Durch das Gehäuse erstrecken sich eine Arbeitswelle 4 und parallel dazu eine Hilfswelle 5, die sich über außerhalb des Gehäuses 10 befindliche Stirnräder 40, 50 in Zahneingriff befinden, so dass die Drehbewegungen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 entsprechend gekoppelt und zwangssynchronisiert sind. In einer Gehäuseöffnung ist die sog. Steuerkonsole 6 aufgenommen, die um die Rotationsachse der Arbeitswelle 4 gegenüber dem Gehäuse 10 drehbar ist, wobei die Dreh- bzw. Winkelstellung der Steuerkonsole 6 gegenüber dem Gehäuse 10 über die Verstellvorrichtung 17 geändert werden kann.
2 zeigt eine Vorderansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1. Es ist zu erkennen, dass das Gehäuse 10 einen im Wesentlichen quaderförmigen Umriss mit oberseitig und unterseitig abgerundeten Ecken umfasst, deren Krümmungsmittelpunkte mit den Rotationsachsen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 zusammenfallen. Die Tiefe des Gehäuses 10, gemessen entlang der Rotationsachsen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 an den jeweiligen Außenseiten der vorderseitigen und rückseitigen Gehäuseabdeckungen 101, 104 beträgt bspw. ca. 175 mm bei einer Gesamthöhe von ca. 465 mm. Die Arbeits- und Hilfswellen 4, 5 stehen ca. 87 mm über den vorderseitigen Gehäusedeckel 101 hervor. Der Auspuff 14 steht ca. 124 mm über die Außenseite des rückseitigen Gehäusedeckels 104 hervor. Demnach beträgt die Gesamttiefe des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1, gemessen entlang der Rotationsachsen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 von dem über den vorderseitigen Gehäusedeckel 101 vorstehenden Arbeits- und Hilfswellen 4, 5 bis zum Ende des Auspuffs 14, ca. 386 mm. Die Gesamtbreite des Gehäuses ohne Auspuff 14, gemessen senkrecht zu den Rotationsachsen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5, beträgt bspw. 311 mm und mit Auspuff bspw. 373 mm. Die Abmessungen des Gehäuses 10 können in Abhängigkeit von der geforderten Nennleistung des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 variieren.
3 zeigt einen Schnitt III-III aus 2, der durch die Arbeits- und Hilfswellen 4, 5 des Rotationskolbenmotors 1 verläuft. Dargestellt sind im Schnitt wiederum die Bestandteile des Gehäuses 10, namentlich der vorderseitige Gehäusedeckel 1, der Gehäuserahmen 102 für die Verdichtungsstufe 2, der Gehäuserahmen 103 für die Expansionsstufe 3 sowie der rückseitige Gehäusedeckel 4. Die Arbeitswelle 4 ist gegenüber dem Gehäuse 10 bzw. dem vorderseitigen Gehäusedeckel 101 und gegenüber der Steuerkonsole 6 über mehrere Wälzlager, vorzugsweise Schrägkugellager, drehbar gelagert und demnach gegenüber dem Gehäuse 10 sowie der Steuerkonsole 6 drehbar. Auf der Arbeitswelle 4 sind ein Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 und ein Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 drehfest angeordnet. Die Hilfswelle 5 ist gegenüber dem Gehäuse 10 bzw. den vorder- und rückseitigen Gehäusedeckeln 101, 104 über mehrere Wälzlager, vorzugsweise Schrägkugellager, drehbar gelagert und demnach gegenüber dem Gehäuse 10 drehbar. Auf der Hilfswelle 5 sind ein Hilfskolben 25 der Verdichtungsstufe 2 und ein Hilfskolben 35 der Expansionsstufe 3 drehfest angeordnet. Durch die Verwendung von Schrägkugellagern ist es möglich, den axialen Abstand der Arbeitskolben 20, 30 bzw. Hilfskolben 25, 35 im Gehäuse 10 so einzustellen, dass diese die Innenseite der Gehäusewand nicht berühren und sich zwischen den Arbeitskolben 20, 30 bzw. Hilfskolben 25, 35 und der Gehäusewand ein minimaler Abstand bildet.
Arbeitskolben der Verdichtungsstufe
Der Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 umfasst eine im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt mit doppelter Wandung. Der Innenzylinder des Arbeitskolbens 20 erstreckt sich nahezu über die gesamte Breite der Rahmenteile 102, 103 des Gehäuses 10 und sitzt direkt auf der Arbeitswelle 4, während die äußere Mantelfläche 22 des Außenzylinders mit dem Rahmenteil 102 der Verdichtungsstufe 2 mehrere durch Schieber 23 unterteilte Kammern 2a, 2b, 2c (18) zur Ansaugung, Durchmischung und Verdichtung des Arbeitsgases bzw. eines Luft-Kraftstoff-Gemischs definiert. Die Kammern 2a, 2b, 2c (18) sind als Ringraumabschnitte ausgebildet. Der Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 umfasst pro Schieber 23 eine den Außenzylinder des Arbeitskolbens 10 durchdringende Öffnung 21 (9), die in Drehrichtung vorne an jedem der in radialer Richtung über die Mantelfläche 22 vorstehenden Schieber 23 ausgebildet ist. Die Öffnung 21 umfasst drei parallele Bohrungen, welche den Außenzylinder des Arbeitskolbens 20 in radialer Richtung durchdringen, um in bestimmten Drehwinkelbereichen des Arbeitskolbens 20 mit der Zündkammer 60 des Rotationskolbenmotors 1 kommunizieren zu können.
Arbeitskolben der Expansionsstufe
Konzentrisch zum Innenzylinder des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 ist der im Wesentlichen zylindrische Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 angeordnet. Die äußere Mantelfläche 32 des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe 3 bildet mit dem Rahmenteil 103 der Expansionsstufe 3 mehrere durch Schieber 33 unterteilte und als Ringraumabschnitte ausgebildete Kammern 3a, 3b, 3c (19 und 20) zur Expansion des entzündeten Arbeitsgases. Der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 umfasst pro Schieber 33 zumindest eine Öffnung 31 (9), die in Drehrichtung hinten an jedem der über die Mantelfläche 32 in radialer Richtung vorspringenden Schieber 33 ausgebildet ist. Die Öffnung 31 durchdringt den Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 in radialer Richtung, um in zumindest einem vorgegebenen Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens 30 mit der Zündkammer 60 des Rotationskolbenmotors 1 kommunizieren zu können.
Trennung von Verdichtungsstufe und Expansionsstufe
Zwischen dem vorderseitigen Gehäusedeckel 101 und dem Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2, zwischen dem Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 und dem Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 sowie zwischen dem Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 und dem rückseitigen Gehäusedeckel 104 sind ring- bzw. scheibenförmige Trennscheiben angeordnet, die vorzugsweise drehfest auf der Arbeitswelle 4 angeordnet sind und die als Ringraumabschnitte ausgebildeten Kammern der Verdichter- und Expansionsstufen 2, 3 in axialer Richtung begrenzen. Die Trennscheibe zwischen den Arbeitskolben 20, 30 der Verdichtungs- und Expansionsstufe 2, 3 bewerkstelligt vorzugsweise eine Labyrinthdichtung, um einen Übertritt des Arbeitsgases von einer der Kammern 2a, 2b, 2c (18) der Verdichtungsstufe 2 in eine der Kammern 3a, 3b, 3c (19 und 20) der Expansionsstufe 3 zu unterbinden.
Steuerkonsole
Die Steuerkonsole 6 ist gegenüber dem Gehäuse 10 verdrehbar, wobei die Dreh- bzw. Winkelstellung der Steuerkonsole 6 gegenüber dem Gehäuse 10 durch Betätigung der Verstellvorrichtung 17 in einem vorgegebenen Winkelbereich verstellbar ist. Der Außenzylinder des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 gleitet berührungslos über einen ersten zylindrischen Abschnitt 61 der Steuerkonsole 6, während der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 berührungslos über einen zweiten zylindrischen Abschnitt 66 der Steuerkonsole 6 gleitet. Der zweite zylindrische Abschnitt 66 der Steuerkonsole 6 weist gegenüber dem ersten zylindrischen Abschnitt 61 der Steuerkonsole 6 einen geringfügig größeren Durchmesser auf. Die Steuerkonsole 6 (13) ermöglicht es, das Ein- und Ausströmen des Arbeitsgases in die und aus der Zündkammer 60 in Abhängigkeit der Drehwinkelstellung der Arbeitskolben 20, 30 zu regulieren. Die Steuerkonsole 6 kann durch Betätigung der Verstellvorrichtung 17 gegenüber dem Gehäuse 10 um einen Winkel von ca. +/–10° bezogen auf die Rotationsachse der Arbeitskolben 20, 30 der Verdichter- und Expansionsstufen 2, 3 verdreht werden. Die Zündkammer 60, ein Zündkammerzulauf 62, 63, 64 mit radialen Bohrungen 63 und einer axialen, in die Zündkammer 60 mündenden Verbindungsbohrung 64, ein Zündkammerablauf und eine Zündkerze 65 sind innerhalb der Steuerkonsole 6 angeordnet bzw. ausgebildet. Die Zündkerze 65 ist bestimmungsgemäß im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Arbeitskolben 20, 30 ausgerichtet. Der erste zylindrische Abschnitt 61 der Steuerkonsole 6 wird bestimmungsgemäß radial innerhalb des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 angeordnet, während der zweite zylindrische Abschnitt 66 der Steuerkonsole 6 bestimmungsgemäß radial innerhalb des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe 3 angeordnet wird. Die Zündkammer 60 ist im zweiten zylindrischen Abschnitt 66 der Steuerkonsole 6 ausgebildet und befindet sich demnach bestimmungsgemäß radial innerhalb des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe 3. In der beispielhaften Ausgestaltung hat die Zündkammer 60 ein Volumen von 13,44 cm³. Sie ist bspw. mit einem Fingerfräser in die Steuerkonsole 6 eingefräst. Die radialen Eingangsbohrungen 63 an den in Drehrichtung der Arbeitskolben 20, 30 vorderen Enden der Rinnen 62 sowie die in die Zündkammer 60 führende Quer- bzw. Verbindungsbohrung 64, die sich in axialer Richtung parallel zu den Rotationsachsen der Arbeitskolben 20, 30 erstreckt, haben relativ zu dem Kompressionsvolumen einen möglichst großen Durchmesser, sodass ein minimaler Strömungswidersand und eine maximale Verdichtung erzielt werden kann. Der Zündkammerablauf erstreckt sich über einen Drehwinkelbereich von ca. 60° in einem zweiten zylindrischen Abschnitt 66 der Steuerkonsole 6 in Umfangsrichtung derselben. Dadurch, dass die Zündkammer 60 in der gegenüber dem Gehäuse 10 verdrehbaren Steuerkonsole 6 angeordnet ist, kann die Zündkammer 60 in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens 20 bzw. des Arbeitskolbens 30 mit der Verdichtungsstufe 2 und mit der Expansionsstufe 3 kommunizieren. Insbesondere kann der Zündkammerzulauf 62, 63, 64 in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 über die Öffnung 21 im Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 mit der Verdichtungskammer kommunizieren, während der Zündkammerablauf in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe 3 über die Öffnung 31 im Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 mit der Expansionskammer kommunizieren kann. Vorzugsweise ist der Zündkammerzulauf 62, 63, 64 wie auch der Zündkammerablauf in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens 20 bzw. des Arbeitskolbens 30 blockiert, so dass die Zündkammer 60 weder mit der Verdichtungsstufe 2 noch mit der Expansionsstufe 3 kommunizieren kann und das verdichtete Arbeitsgas in der Zündkammer 60 eingeschlossen ist. In diesem Drehwinkelbereich findet bevorzugt die Zündung des verdichteten Arbeitsgases statt.
Hilfskolben der Verdichtungsstufe
Wie in der Schnittdarstellung gemäß 3 erkennbar ist, wälzt die Mantelfläche 22 des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 auf einer Mantelfläche des Hilfskolbens 25 der Verdichtungsstufe 2 nach Art einer Evolventenverzahnung im Idealfall berührungslos ab, wobei radial über die Mantelfläche 22 des Arbeitskolbens 20 vorstehende, evolventenförmige Schieber 23 in Winkelabständen von 120° in entsprechend vorgesehenen, rinnenförmigen Ausnehmungen 26 in der Mantelfläche des Hilfskolbens 25 eintauchen.
Hilfskolben der Expansionsstufe
In entsprechender Weise wälzt die Mantelfläche 32 des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe 3 auf einer Mantelfläche des Hilfskolbens 35 der Expansionsstufe 3 Art einer Evolventenverzahnung im Idealfall berührungslos ab, wobei radial über die Mantelfläche 32 des Arbeitskolbens 30 vorstehende, evolventenförmige Schieber 33 in Winkelabständen von 120° in entsprechende Ausnehmungen 36 in der Mantelfläche des Hilfskolbens 35 eintauchen. Beim Abwälzen der Arbeits- und Hilfswellen 4, 5 werden die Trennscheiben zwischen den Arbeitskolben 20, 30 und den Gehäuseteilen 101, 104 in entsprechenden Ausnehmungen der Hilfskolben 25, 35 dichtend aufgenommen.
Um Wiederholungen zu vermeiden, wird bezüglich der Bezugzeichen in den weiteren Figuren auf obige Beschreibung Bezug genommen.
4 und 5 zeigen verschiedene perspektivische Ansichten der Vorderseite, 6 eine perspektivische Ansicht der Rückseite und 7 eine Rückansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1. Auf der Rückseite des Gehäuses 10 befindet sich eine Skala, auf welcher die Winkelstellung der Steuerkonsole 6 gegenüber dem Gehäuse 10 angezeigt wird.
8 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Rückseite des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1. Der besseren Übersicht halber sind Teile der vorder- und rückseitigen Gehäuseabdeckungen 101, 104 sowie der Gehäuserahmen 102, 103 der Verdichtungsstufe 2 und der Expansionsstufe 3 weggelassen. Es ist zu erkennen, dass die Schieber 23, 33 der Arbeitskolben 20, 30 bezüglich der gemeinsamen Rotationsachse in gleichen Drehwinkeln und Drehwinkelabständen ausgerichtet sind. Ferner ist zu erkennen, wie die Trennscheiben zwischen den Arbeitskolben 20, 30 und den Gehäuseteilen 101, 104 beim Abwälzen der Arbeits- und Hilfswellen 4, 5 in entsprechenden Ausnehmungen der Hilfskolben 25, 35 dichtend aufgenommen werden. Es ist ebenfalls zu erkennen, wie die Kammern 2a, 2b, 2c (18) der Verdichtungsstufe 2 und die Kammern 3a, 3b, 3c (19 und 20) der Expansionsstufe 3 im Zusammenspiel der Arbeitskolben 20, 30 mit den Hilfskolben 25, 35, den Trennscheiben und dem Gehäuse 10 zwischen den Mantelflächen 22, 32, Ausnehmungen und Schiebern 23, 33 der Arbeits- und Hilfskolben 20, 25, 30, 35 definiert werden.
9 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Arbeitswelle 4 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 mit Steuerkonsole 6. Der besseren Übersichtlichkeit halber sind das Stirnrad und die zwischen dem Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 und dem vorderseitigen Gehäusedeckel 101 vorgesehene Trennscheibe des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 nicht dargestellt.
10 und 11 zeigen verschiedene perspektivische Ansichten der Arbeitswelle 4 im bestimmungsgemäßen Montagezustand und 12 zeigt eine perspektivische Ansicht der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 im Kopplungszustand über die endseitig angeordneten, schräg verzahnten Stirnräder 40, 50, über welche die Drehbewegungen der Arbeitswelle 4 und der Hilfswelle 5 gekoppelt und zwangssynchronisiert sind.
13 zeigt eine perspektivische Ansicht der Steuerkonsole 6 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1. 14 zeigt eine andere perspektivische Ansicht der Steuerkonsole 6, 15 zeigt eine Explosionsdarstellung der Arbeitswelle 4 mit koaxial dazu angeordneter Steuerkonsole 6, Figur 16 zeigt eine perspektivische Teilschnittansicht der Arbeitswelle 4 und der Steuerkonsole 6 im bestimmungsgemäßen Montagezustand und 17 und 18 den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor 1 im bestimmungsgemäßen Montagezustand ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung 101 in einem Arbeitszustand der Verdichtungsstufe 2. 19 und 20 zeigen schematisch den erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor 1 ohne Stirnräder und ohne vorderseitige Gehäuseabdeckung 101 in ersten und zweiten Arbeitszuständen der Expansionsstufe.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 wird nachstehend mit Bezug auf die 18 bis 20 im Detail erläutert.
Die Pfeile in den 18 bis 20 zeigen die bestimmungsgemäßen Drehrichtungen der Arbeitskolben 20, 30 und Hilfskolben 25, 35 an. Die Arbeitskolben 20, 30 rotieren in den Darstellung der 18 bis 20 im Uhrzeigersinn und die Hilfskolben 25, 35 im Gegenuhrzeigersinn. Man erkennt in den 18 und 19 die Positionen der Schieber 23, 33 der Arbeitskolben 20, 30 im Zeitpunkt der Zündung, d. h. am Ende der Kompression und vor dem Beginn der Expansion. Die um je 120 Grad versetzten Schieber 23, 33 der Arbeitskolben 20, 30 der Verdichtungsstufe 2 und der Expansionsstufe 3 bilden in Zusammenwirkung mit dem zugehörigen Hilfskolben 25, 35 und dem Gehäuse 10 jeweils drei als Ringraumabschnitte ausgebildete Kammern 2a, 2b, 2c (18) bzw. 3a, 3b, 3c (19). Beim Abwälzen des Arbeitskolbens 20, 30 und des zugehörigen Hilfskolbens 25, 35 nach Art einer Evolventenverzahnung wird jeweils eine der Kammern 2a, 2b, 2c (18) der Verdichtungsstufe 2 und jeweils eine der Kammern 3a, 3b, 3c (19) der Expansionsstufe 3 durch die dicht aneinander stehenden Arbeitskolben 20, 30 und zugehörigen Hilfskolben 25, 35 zweigeteilt. Dargestellt ist in 20 die zweigeteilte Kammer 3c/3c* der Expansionsstufe 3 mit den Kammerabschnitten 3c* und 3c. Die dichte Anordnung des Arbeitskolbens 30 und des zugehörigen Hilfskolbens 35 bewirkt eine durch einen Ölfilm abgedichtete Sperre zwischen den beiden Kammerabschnitten 3c* und 3c. Eine Kammer der Verdichtungsstufe 2 ist durch die dichte Anordnung des Arbeitskolbens 20 und des zugehörigen Hilfskolbens 25 ebenso zweigeteilt, wobei eine Sperre zwischen den beiden Kammerabschnitten bewirkt wird. Die als Ringraumabschnitte ausgebildeten, teilkreisringförmigen Kammern 2a, 2b, 2c bzw. 3a, 3b, 3c haben in dieser Ausführungsform in etwa ein Volumen von 147 cm³. Der sich verkleinernde Teil der zweigeteilten Kammer 2c der Verdichtungsstufe 2 bildet die Verdichtungskammer. Der sich vergrößernde Teil der zweigeteilten Kammer 2c der Verdichtungsstufe 2 bildet die Ansaugkammer. Der sich vergrößernde Teil der zweigeteilten Kammer 3c/3c* der Expansionsstufe 3 bildet die Expansionskammer.
Ansaugung
Über die Kraftstoffzuleitung 11, in welcher ein Kugelrückschlagventil angeordnet ist, wird ein Arbeitsgas in die Ansaugkammer der Verdichtungsstufe 2 eingeleitet. Die Gemischaufbereitung wird mittels Vergaser realisiert (nicht dargestellt) oder der Kraftstoff wird durch ein Einspritzsystem direkt in die Verdichtungskammer 2c oder in die Zündkammer 60 befördert. Das maximale Volumen der Ansaugkammer 2a beträgt ca. 147 cm³. Durch die Drehbewegung des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 variiert das Volumen der Ansaugkammer, so dass das Arbeitsgas ein- bzw. angesaugt wird. Bei der Umdrehung des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2, der sich bspw. mit einer Geschwindigkeit von 10.000 U/min dreht, wird die Ansaugkammer pro Umdrehung drei Mal mit Arbeitsgas befällt. Bei der kontinuierlichen Rotation des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 wird das Arbeitsgas in den Kammern 2a und 2b durchmischt.
Verdichtung
Bei der kontinuierlichen Rotation des Arbeitskolbens 20 der Verdichtungsstufe 2 wird das Arbeitsgas in der Verdichtungskammer 2c verdichtet. Erreicht der Schieber 23 eine entsprechende Drehwinkelstellung, in welcher die Öffnung 21 des Arbeitskolbens 20 die Nut 62 des Zündkammerzulaufs 62, 63, 64 überstreicht, so kann die Verdichtungskammer 2c mit der Zündkammer 60 kommunizieren. Das Arbeitsgas wird durch die Drehbewegung des Arbeitskolbens 20 über einen Drehwinkelbereich von 60°, entsprechend einer Bogenlänge der Nut 62 des Zündkammerzulaufs 62, 63, 64, über die Öffnung 21 im Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 und den Zündkammerzulauf 62, 63, 64 in die Zündkammer 60 gepresst. In diesem Drehwinkelbereich ist der Zündkammerzulauf 62, 63, 64 geöffnet und der Zündkammerablauf blockiert, so dass die Zündkammer 60 nur mit der Verdichtungsstufe 2 kommunizieren kann. Ist der Drehwinkelbereich von 60° vom Schieber 23 durchschritten, so verschließt sich die Zündkammer 60 wieder und eine Kommunikation zwischen der Verdichtungskammer 2c und der Zündkammer 60 ist unterbrochen. Etwa 90 Vol.-% des komprimierten Arbeitsgases werden somit in der Zündkammer 60 eingeschlossen. Die verbleibenden 10 Vol.-% werden mit der nächsten Drehung mitgenommen. Aus diesem Grund steigen mit zunehmender Drehzahl des Arbeitskolbens 20 die Verdichtung und somit auch der Wirkungsgrad des Rotationskolbenmotors 1. Um ein Ausströmen des Arbeitsgases aus der Zündkammer 60 zu verhindern, kann zwischen der Verdichtungskammer 2c und der Zündkammer 60 ein Rückschlagventil angeordnet sein. Durch die auf der Arbeitswelle 4 angeordnete(n) Trennscheibe(n) sind der Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 und der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 voneinander getrennt, so dass das verdichtete Arbeitsgas nicht direkt von der Verdichtungskammer 2c in die Expansionskammer 3c* übertreten kann. Zwischen der mittleren Trennscheibe und den Arbeitskolben 20 und/oder zwischen den äußeren Trennscheiben und den Gehäuseteilen 101, 104 sind vorzugsweise berührungslos arbeitende Dichtungen vorgesehen.
Zündung
Die 18 und 19 zeigen die Drehwinkelstellungen der Arbeitskolben 20, 30 zum Zeitpunkt der Zündung. In dieser Drehwinkelstellung hat der Schieber 23 am Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 das komprimierte Zündgemisch in die Zündkammer 60 gepresst und befindet sich in der Ausnehmung 26 des Hilfskolbens 25. In dieser Drehwinkelstellung sind der Zündkammerzulauf 62, 63, 64 wie auch der Zündkammerablauf blockiert, so dass die Zündkammer 60 weder mit der Verdichtungsstufe 2 noch mit der Expansionsstufe 3 kommunizieren kann. Dadurch ist das verdichtete Arbeitsgas in der Zündkammer 60 eingeschlossen. Bei einem Verdichtungsverhältnis von 11:1 wird das Arbeitsgas mit einem Druck von 11 bar nun durch die in die Zündkammer 60 vorstehende Zündkerze 65 gezündet. Der Zündzeitpunkt kann vorzugsweise in Abhängigkeit von diversen Messgrößen wie der Drehzahl der Arbeitskolben 20, 30 etc., von einem Steuergerät im Verhältnis zu den Drehwinkelstellungen der Arbeitskolben 20, 30 geregelt oder gesteuert werden.
Expansion
20 zeigt die Drehwinkelstellung des Arbeitskolbens 30 der Expansionsstufe kurz nach der Zündung und während der Expansion. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schieber 33 am Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 nun eben aus der Ausnehmung 36 des Hilfskolbens 35 der Expansionsstufe 3 aufgetaucht und wird durch die Expansion des gezündeten Arbeitsgases angetrieben. In dieser Drehwinkelstellung ist der Zündkammerzulauf 62, 63, 64 blockiert und lediglich der Zündkammerablauf geöffnet, so dass die Zündkammer 60 nur mit der Expansionsstufe 3 kommunizieren kann. Der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 weist drei stirnseitige, um 120° zueinander versetzte Öffnungen 31 auf. Alle 120° stehen die Öffnungen 31 des Arbeitskolbens 30 und der Zündkammerablauf übereinander, wobei das entzündete Arbeitsgas während des Drehwinkelbereichs von ca. 60° in die Expansionskammer gedrückt wird. Nach der Verbrennung und Expansion beansprucht das angesaugte Gasvolumen einen wesentlich größeren Raum, wobei das aus der Zündkammer 60 ausströmende Verbrennungsgas sein Volumen in Sekundenbruchteilen vergrößert. Das verbrannte Arbeitsgas wird durch die Öffnung 31 in der in Drehrichtung hinten gelegenen Flanke des Schiebers 33 in die Expansionskammer 3c* ausgestoßen. Durch den entstehenden Druck wirkt eine Kraft rechtwinklig auf die Drehachse (in tangentialer Richtung auf den Schieber 33), so dass der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 bzw. die gesamte Arbeitswelle 4 mit einem konstanten Drehmoment beaufschlagt wird. Es steht somit zu jedem Zeitpunkt das maximale aus dem Druck resultierende Drehmoment zur Verfügung, bspw. zum Antrieb eines Fahrzeugs oder dergleichen. Das Verbrennungsgas kann nach der Verbrennung und Expansion die Expansionsstufe 3 verlassen und wird über den Abgasauslass 14 ausgestoßen. Nach dem Prinzip einer Fluggasturbine treibt der Arbeitskolben 30 der Expansionsstufe 3 den Arbeitskolben 20 der Verdichtungsstufe 2 an.
Dichtungskonzept
Die Kammerabschnitte 2a, 2b, 2c (18) bzw. 3a, 3b, 3c (19 und 20) der Verdichtungs- und Expansionsstufe 2, 3 sind bspw. gegenüber dem Gehäuse über berührungslos arbeitende Dichtungen abgedichtet, damit das komprimierte Arbeitsgas nur in die Zündkammer 60 gepresst wird und das expandierende Arbeitsgas nach erfolgter Zündung nicht in die Verdichtungskammer übergreift.
Feineinstellung des Zündzeitpunkts
Durch Drehen der als Einstellschraube ausgebildeten Verstellvorrichtung 17 kann die Steuerkonsole 6 im Gehäuse 10 verdreht werden. Durch diese Drehung kann somit die Position der Zündkammer 60 eingestellt werden. In Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehenen Verstellbarkeit des Zündzeitpunkts kann somit die Initiierung des Arbeitsgases exakt reguliert werden.
Bevorzugte Ausführung und Komponenten
Nach jetzigem Entwicklungsstand ist der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor 1 als Verbrennungsmotor nach der Bauart eines wassergekühlten Drehkolbenmotors mit einer Verdichtung von ca. 11:1 bei drei Zündungen pro Umdrehung ausgebildet. Die Übersetzung der Arbeits- und der Hilfswelle 4, 5 beträgt 1:1. Die Zündung erfolgt über eine Zündkerze 65 des Typs NGK M16x1 (2-polig). Die Gemischbildung erfolgt über einen modifizierten Walbro-Vergaser.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/071326 A1 [0002]

Claims

Rotationskolbenmotor (1), umfassend eine Verdichtungsstufe (2) und eine Expansionsstufe (3) mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben (20, 30) zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (20, 30) der Verdichtungsstufe (2) und der Expansionsstufe (3) in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, vorzugsweise um eine gemeinsame Rotationsachse drehbar sind.
Rotationskolbenmotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskolben (20, 30) der Verdichtungsstufe (2) und der Expansionsstufe (3) auf einer gemeinsamen Welle (4) angeordnet sind.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Arbeitsgas zur Zündung radial nach innen in Richtung der Rotationsachse der Arbeitskolben (20, 30) abgeleitet wird.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsstufe (2) zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Das verdichtete Arbeitsgas wird zur Zündung durch den Arbeitskolben (20) geleitet. b. Der Arbeitskolben (20) umfasst wenigstens eine Öffnung (21), die den Arbeitskolben (20) durchdringt. c. Die Öffnung (21) durchdringt den Arbeitskolben (20) im Wesentlichen in radialer Richtung. d. Der Arbeitskolben (20) umfasst eine Mantelfläche (22), die gemeinsam mit einem Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) wenigstens einen Ringraumabschnitt (2a, 2b, 2c) definiert. e. Die Mantelfläche (22) des Arbeitskolbens (20) ist im Wesentlichen zylindrisch. f. Der Arbeitskolben (20) umfasst wenigstens einen Schieber (23), der vorzugsweise radial von der Mantelfläche (22) des Arbeitskolbens (20) vorspringt. g. Der Schieber (23) ist im Querschnitt gesehen evolventenförmig ausgebildet. h. Der Schieber (23) definiert gemeinsam mit einem Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) und der Mantelfläche (22) des Arbeitskolbens (20) einen vorzugsweise zu allen Seiten hin abgedichteten Ringraumabschnitt. i. Der Arbeitskolben (20) umfasst mehrere Schieber (23), die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens (20) in regelmäßigen Winkelabständen von der Mantelfläche (22) des Arbeitskolbens (20) hervorstehen. j. Der Arbeitskolben (20) umfasst drei Schieber (23), die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens (20) in Winkelabständen von 120° von der Mantelfläche (22) des Arbeitskolbens (20) hervorstehen. k. Die Öffnung (21) endet auf einer Flanke des Schiebers (23), vorzugsweise auf einer in Drehrichtung vorne gelegenen Flanke des Schiebers (23). l. Der Arbeitskolben (20) ist als doppelwandiger Hohlzylinder ausgebildet, wobei ein Innenzylinder des Arbeitskolbens (20) vorzugsweise eine größere axiale Länge als ein Außenzylinder des Arbeitskolbens (20) aufweist. m. Der Arbeitskolben (20) wirkt mit einem Hilfskolben (25) zusammen, um zumindest eine Verdichtungskammer mit variablem Volumen zu definieren. n. Der Arbeitskolben (20) wirkt mit einem Hilfskolben (25) zusammen, um zumindest eine Ansaugkammer mit variablem Volumen zu definieren. o. Der Hilfskolben (25) umfasst eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche. p. Der Hilfskolben (25) umfasst eine auf die Anzahl der Schieber (23) des Arbeitskolbens (20) abgestimmte Anzahl von Ausnehmungen (26). q. Der Arbeitskolben (20) und der Hilfskolben (25) wälzen derart aneinander ab, dass ein Schieber (23) dichtend in einer Ausnehmung (26) aufgenommen wird. r. Der Arbeitskolben (20) und der Hilfskolben (25) sind zwangssynchronisiert drehbar.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsstufe (3) zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Das gezündete Arbeitsgas wird zur Expansion radial nach außen, von der Rotationsachse der Arbeitskolben (20, 30) wegführend, geleitet. b. Das gezündete Arbeitsgas wird zur Expansion durch den Arbeitskolben (30) der Expansionsstufe (3) geleitet. c. Der Arbeitskolben (30) umfasst zumindest eine Öffnung (31), die den Arbeitskolben (30) durchdringt. d. Die Öffnung (31) durchdringt den Arbeitskolben (30) im Wesentlichen in radialer Richtung. e. Der Arbeitskolben (30) umfasst eine Mantelfläche (32), die gemeinsam mit einem Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) wenigstens einen Ringraumabschnitt definiert. f. Die Mantelfläche (32) des Arbeitskolbens (30) ist im Wesentlichen zylindrisch. g. Der Arbeitskolben (30) umfasst zumindest einen Schieber (33), der vorzugsweise radial von der Mantelfläche (32) des Arbeitskolbens (30) vorspringt. h. Der Schieber (33) ist im Querschnitt gesehen evolventenförmig ausgebildet. i. Der Schieber (33) definiert gemeinsam mit einem Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) und der Mantelfläche (32) des Arbeitskolbens (30) einen vorzugsweise zu allen Seiten hin abgedichteten Ringraumabschnitt. j. Der Arbeitskolben (30) umfasst mehrere Schieber (33), die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens (30) in regelmäßigen Winkelabständen von der Mantelfläche (32) des Arbeitskolbens (30) hervorstehen. k. Der Arbeitskolben (30) umfasst drei Schieber (33), die bezogen auf die Rotationsachse des Arbeitskolbens (30) in Winkelabständen von 120° von der Mantelfläche (32) des Arbeitskolbens (30) hervorstehen. l. Die Öffnung (31) endet auf einer Flanke des Schiebers (33), vorzugsweise auf einer in Drehrichtung hinten gelegenen Flanke des Schiebers (33). m. Der Arbeitskolben (30) ist als einwandiger Zylinder ausgebildet. n. Der Arbeitskolben (30) wirkt mit einem Hilfskolben (35) zusammen, um zumindest eine Expansionskammer mit variablem Volumen zu definieren. o. Der Hilfskolben (35) umfasst eine im Wesentlichen zylindrische Mantelfläche. p. Der Hilfskolben (35) umfasst eine auf die Anzahl der Schieber (33) des Arbeitskolbens (30) abgestimmte Anzahl von Ausnehmungen (36). q. Der Arbeitskolben (30) und der Hilfskolben (35) wälzen derart aneinander ab, dass ein Schieber (33) dichtend in einer Ausnehmung (36) aufgenommen wird. r. Der Arbeitskolben (30) und der Hilfskolben (35) sind zwangssynchronisiert drehbar.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) eine Zündkammer (60) aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Die Zündkammer (60) ist zumindest abschnittsweise radial innerhalb des Arbeitskolbens (20) der Verdichtungsstufe (2) und/oder radial innerhalb des Arbeitskolbens (30) der Expansionsstufe (3) angeordnet. b. Die Zündkammer (60) kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens (20) mit der Verdichtungsstufe (2) kommunizieren. c. Die Zündkammer (60) kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens (30) mit der Expansionsstufe (3) kommunizieren. d. Die Zündkammer (60) kann in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens (30) weder mit der Verdichtungsstufe (2) noch mit der Expansionsstufe (3) kommunizieren. e. Die Zündkammer (60) umfasst einen Zündkammerzulauf (62, 63, 64), der in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens (20) der Verdichtungsstufe (2) über die Öffnung (21) mit einer Verdichtungskammer kommunizieren kann. f. Die Zündkammer (60) umfasst einen Zündkammerablauf, der in einem vorzugsweise verstellbaren Drehwinkelbereich des Arbeitskolbens (30) der Expansionsstufe (3) über die Öffnung (31) mit einer Expansionskammer kommunizieren kann. g. Die Zündkammer (60) umfasst eine Zündkerze (65), die im Wesentlichen parallel zu einer Rotationsachse der Arbeitskolben (20, 30) ausgerichtet ist.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) eine Steuerkonsole (6) aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Die Steuerkonsole (6) ist verstellbar, vorzugsweise verdrehbar, im Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) angeordnet. b. Die Steuerkonsole (6) kann gegenüber dem Gehäuse (10) des Rotationskolbenmotors (1) um einen Winkel von +/–30°, vorzugsweise +/–20°, bevorzugt +/–10°, besonders bevorzugt +/–5° bezogen auf die Rotationsachse der Arbeitskolben (20, 30) verdreht werden. c. Die Zündkammer (60) und/oder der Zündkammerzulauf (62, 63, 64) und/oder der Zündkammerablauf und/oder die Zündkerze (65) ist/sind in der Steuerkonsole (6) angeordnet. d. Die Steuerkonsole (6) umfasst einen ersten zylindrischen Abschnitt (61), der radial innerhalb des Arbeitskolbens (20) der Verdichtungsstufe (2) angeordnet ist. e. Die Steuerkonsole (6) umfasst einen zweiten zylindrischen Abschnitt (66), der radial innerhalb des Arbeitskolbens (30) der Expansionsstufe (3) angeordnet ist.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) ein Gehäuse (10) aufweist, das zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Das Gehäuse (10) ist mehrteilig aus im Wesentlichen plattenförmigen Teilen (101, 102, 103, 104) aufgebaut. b. Das Gehäuse (10) umfasst einen vorderseitigen Gehäusedeckel (101), einen Gehäuserahmen (102) für die Verdichtungsstufe (2), einen Gehäuserahmen (103) für die Expansionsstufe (3) und einen rückseitigen Gehäusedeckel (104). c. Zumindest zwei Gehäuseteile (101, 102, 103, 104) sind gegeneinander abgedichtet. d. Das Gehäuse (10) umfasst einen im Wesentlichen quaderförmigen Umriss. e. Das Gehäuse (10) umfasst eine Schnittstelle für einen Kraftstoffzulauf (11) und/oder eine Schnittstelle (12) für einen Gehäuse-Kühlkreislauf und/oder eine Schnittstelle (13) für einen Steuerkonsolen-Kühlkreislauf und/oder einen Abgasausgang (14) und/oder Schnittstellen für Daten- und Signalübertragung (15, 16). f. Das Gehäuse (10) umfasst einen Kraftstoffzulauf, in welchem vorzugsweise ein Kugelrückschlagventil angeordnet ist.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) zumindest eine Welle (4, 5) aufweist, die zumindest eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Die Welle (4, 5) ist drehbar im Gehäuse (10) angeordnet. b. Die Welle (4, 5) erstreckt sich vollständig durch das Gehäuse (10) und steht auf gegenüber liegenden Seiten aus dem Gehäuse (10) hervor. c. Die Welle ist als Arbeitswelle (4) ausgebildet, auf welcher der Arbeitskolben (20) der Verdichtungsstufe (2) und/oder der Arbeitskolben (30) der Expansionsstufe (3) fest oder verstellbar angeordnet ist/sind. d. Die Welle ist als Hilfswelle (5) ausgebildet, auf welcher ein Hilfskolben (25) der Verdichtungsstufe (2) und/oder ein Hilfskolben (35) der Expansionsstufe (3) fest oder verstellbar angeordnet ist/sind. e. Die Arbeits- und Hilfswellen (4, 5) sind durch ein Getriebe miteinander gekoppelt. f. Das Getriebe ist als Zahnradgetriebe ausgebildet. g. Die Zahnräder (40, 50) des Zahnradgetriebes sind außerhalb des Gehäuses angeordnet. h. Die Zahnräder (40, 50) des Zahnradgetriebes sind als Stirnräder, vorzugsweise schräg verzahnte Stirnräder, ausgebildet. i. Das Übersetzungsverhältnis des Getriebes beträgt 1:1.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) zumindest einen Kühlkreislauf aufweist, vorzugsweise zwei getrennte Kühlkreisläufe aufweist.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) einen Vergaser zur Aufbereitung des Arbeitsgases aufweist.
Rotationskolbenmotor (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1) eine Einspritzvorrichtung zur Einspritzung des Arbeitsgases in die Verdichtungsstufe (2) oder in die Zündkammer (60) aufweist.
Rotationskolbenmotor (1), umfassend eine Verdichtungsstufe (2) und eine Expansionsstufe (3) mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben (20, 30) zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases sowie eine Zündkammer (60) zur Zündung und Verbrennung des Arbeitsgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkammer (60) in einem verstellbaren Drehwinkelbereich des jeweiligen Arbeitskolbens (20, 30) mit der Verdichtungsstufe (2) und/oder mit der Expansionsstufe (3) kommunizieren kann.
Rotationskolbenmotor (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkelbereich des jeweiligen Arbeitskolben (20, 30), in welchem die Zündkammer (60) mit der Verdichtungsstufe (2) und/oder mit der Expansionsstufe (3) kommunizieren kann, in Abhängigkeit von einer Messgröße, vorzugsweise der Drehzahl des jeweiligen Arbeitskolbens (20, 30), gesteuert oder geregelt wird.
Rotationskolbenmotor (1), umfassend eine Verdichtungsstufe (2) und eine Expansionsstufe (3) mit jeweils einem rotierenden Arbeitskolben (20, 30) zur Verdichtung bzw. Expansion eines Arbeitsgases sowie eine Zündkammer (60) zur Zündung und Verbrennung des Arbeitsgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Zündkammer (60) zumindest abschnittsweise radial innerhalb des Arbeitskolbens (20) der Verdichtungsstufe (2) und/oder radial innerhalb des Arbeitskolbens (30) der Expansionsstufe (3) angeordnet ist.