Druckkraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine, mit einer Ringstruktur

Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckkraftmaschine mit einer Ringstruktur, mit einer entlang der Ringachse verlaufenden Abtriebswelle, einem eine Gehäusewand aufweisenden Ringgehäuse und wenigstens einem im Ringgehäuse entlang einer Kreisbahn gegen das Gehäuse abgedichtet umlaufenden Umlaufkolben, der über ein Verbindungsglied drehfest mit der Abtriebswelle verbunden ist und der im Ringgehäuse eine mit-umlaufende, z.B. ringsegment- förmige Druckkammer wenigstens auf der Seite begrenzt, die von der Druckkammer aus gesehen in Umlaufrichtung liegt, mit an gegebenen Stellen des Ringgehäuses ausgebildeten Anschlüssen an eine Druckluftzufuhr, im Fall einer Brennkraftmaschine an eine Brennstoff- oder Treibstoffzufuhr, und an einen Auspuff. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Brennkraftmaschine, es ist jedoch bekannt, dass Brennkraftmaschinen auch durch äußere Druckmedien in Bewegung setzbar sind, wie z.B. der wasserdruckbetriebene dieselähnliche Solepumpenantrieb im Salzmuseum Klaushäusl bei Bernau. Die erfindungsgemäße Maschine kann insofern, außer eine Brennkraftmaschine, auch eine durch ein extern eingespeistes Druckmedium betriebene Druckkraftmaschine sein.

Brennkraftmaschinen der eingangs genannten Art sind z. B. aus der deutschen Patentschrift 195 21 528 bekannt, ähnliche Umlaufkolben-Brennkraftmaschinen sind in den folgenden deutschen patentamtlichen Veröffentlichungen, nämlich der Offenlegungsschrift 1 810 346, der Offenlegungsschrift 38 25 365, der Offenlegungsschrift 195 23 736 und der Patentschrift 197 34 783 beschrieben. Gemeinsam ist den bekannten Umlaufkolbenmaschinen, dass sie eine hintere Abstützung des Explosionsdrucks benötigen, also Steuerglieder, die in den ringförmigen Zylinderraum hineingeschoben und zum Vorbeilauf des Kolbens wieder aus dem Zylinderraum herausgezogen werden. Die entsprechende Mechanik macht die Maschine komplex, störungs- und verschleißbefallen und fuhrt zu zusätzlichem Leistungsverlust und einem hohen Laufgeräuschpegel.

Durch die Erfindung soll eine verschleißarm, leise und weitgehend unwuchtfrei laufende Druckkraftmaschine, insbesondere Brennkraftmaschine geschaffen werden, für die auch ein guter Wirkungsgrad angestrebt wird. Die erfindungsgemäße Maschine ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umlaufkolben ein Kolbengehäuse und im Kolbengehäuse einen durch eine sich andererseits am Kolbengehäuse abstützende Vorspannkraft auf die Druckkammer, insbesondere Brennkammer zu gedrückten, entgegen der Vorspannkraft relativ zum Kolbengehäuse in einer Kolben-Längsrichtung linear verschiebbaren Innenkolben aufweist, dessen Verschiebungslinie tangential in einem Abstand an der Achse der Abtriebswelle vorbeiverläuft. Die Druck- bzw. Brennkammer ist dabei durch das Ringgehäuse und den Umlaufkolben begrenzt und bedarf keiner laufend in das Ringgehäuse ein- und ausgefahrener Absperrglieder. Das Ringgehäuse besteht im wesentlichen aus einer ringförmigen, zum Ringinneren zu offenen Rinne, die dazu ausgebildet ist, dass in ihr der Umlaufkolben unter dichter Abgrenzung der ebenfalls umlaufenden Druck- bzw. Brennkammer gleitet. Es ergibt sich somit ein ruhiger, unwuchtfreier und runder Lauf, der bei kleinem Raumbedarf und für guten Wirkungsgrad realisierbar ist. Durch die Wahl der Flächenverhältnisse zwischen Kolben und Ringgehäuse in der Druck- bzw. Brennkammer und des Abstands der Kolben- Verschiebungslinie von der Achse der Abtriebswelle lassen sich die Betriebseigenschaften der Maschine optimieren.

Vorzugsweise ist der durch die Vorspannkraft belastete Innenkolben gegenüber dem Kolbengehäuse für seinen Vorlauf und für seine Rückstellung, die durch die Vorspannkraft bewirkt wird, einer Bewegungsdämpfung unterworfen, so dass die durch die Kraftstoffverbrennung erzeugte Schubkraft sich zeitlich verteilt und harte Schläge vermieden werden. Nach einer zweckmäßigen Konstruktion wird die Vorspannkraft durch eine oder mehrere Druckfedern aufgebracht, und wird die Bewegungsdämpfung durch eine gedrosselte Verschiebung von Strömungsmedium im Kolbengehäuse bewirkt, insbesondere von hydraulischem öl. Es handelt sich hierbei um an sich bewährte technische Maßnahmen. Der Innenkolben soll zweckmäßigerweise aus zwei koaxialen Kolbenelementen insbesondere von gleicher Querschnitts- fläche bestehen, die in einem gegenseitigen Abstand auf einer gemeinsamen, sich entlang der Kolben- Verschiebungslinie erstreckenden Kolbenstange sitzen. Das erste Kolbenelement, nämlich das hinsichtlich der Drehung der Abtriebswelle äußere Kolbenelement, grenzt an die Brennkammer an. Der Innenkolben durchsetzt bei dieser Konstruktion mit seiner Kolbenstange zwei strömungsmittelgefüllte Kammern oder Volumina, die über wenigstens einen Verbindungskanal reduzierten Durchströmungsquerschnitts miteinander verbunden sind, wobei bei der Bewegung des Innenkolbens entgegen der Vorspannkraft das erste, äußere Kolbenelement

in das erste Volumen eindringt und Strömungsmittel daraus verdrängt und das zweite, hinsichtlich der Drehung der Abtriebswelle innere Kolbenelement aus dem zweiten Volumen zurückweicht und Strömungsmittelraum freigibt. Mit dieser Konstruktion wird die erforderliche Bewegungsdämpfung durch eine Durchströmungsdrosselung reibungsfrei erreicht. Im einzelnen dargestellt, wird der Kolben durch den Zündvorgang nach unten in das ölvolumen geschoben; das öl wird nun durch - die Durchströmungsdrosselung darstellende - enge Kanäle in das untere ölvolumen gepresst und das am unteren Ende des Kolbenschaftes sitzende zweite Kolbenelement des gleichen Durchmessers wie das erste Kolbenelement saugt die gleiche ölmenge in das untere Volumen. Der Verbrennungsdruck drückt also den Kolbenboden gegen den Federdruck und den Drosselwiderstand, und hierdurch entsteht ein Drehmoment in der Drehrichtung des Rotors. Der Verbrennungsdruck wird also direkt in eine Drehrichtung umgesetzt. Das zweite Kolbenelement hat zur höheren Betriebssicherheit eine Verschlussfläche, die in der durch die Vorspannkraft zurückgeschobenen Endstellung des Innenkolbens den Verbindungskanal oder die Verbindungskanäle verschließt. Um Schläge bei der Kolben-Rückstellung zu vermeiden, können einerseits an der - hinsichtlich der Drehung der Abtriebswelle - äußeren Seite des zweiten Kolbenelements und andererseits an einer das zweite Volumen nach außen begrenzenden, als äußere Anschlagfläche für das zweite Kolbenelement dienenden Fläche eine Vertiefung, insbesondere eine Nut, bzw. ein hierzu komplementärer Vorsprung, insbesondere eine Rippe ausgebildet sein. Das in der Vertiefung befindliche Strömungsmittel wird durch den Vorsprung entlang dem dünner werdenden Spalt vor der Anschlagfläche verdrängt und wirkt so als Bremse.

Ein besonders verlust- und verschleißarmer Lauf der Brennkraftmaschine ergibt sich, wenn der Innenkolben im Kolbengehäuse in seinem an die Brennkammer angrenzenden Teil an der Innenwand des Kolbengehäuses berührungslos mit kleinem Spalt von beispielsweise 0,1 mm entlangläuft und nur durch Führungsbuchsen mit Dichtringen geführt ist, an denen der Innenkolben, nämlich die Kolbenelemente oder die Kolbenstange, gleitend angreift. Angrenzend an die Brennkammer gibt es somit keine ölabstreifringe am Kolben, während der Druckverlust durch den vorhandenen Spalt praktisch vernachlässigbar ist. Weiterhin kann der Innenkolben so konstruiert sein, dass sich im Kolbengehäuse im Bereich zwischen dem ersten Kolbenelement in seiner innersten Stellung und dem zweiten Kolbenelement in seiner äußersten Stellung Fenster für den Durchsatz von Kühlluft befinden, und in diesem Bereich die Kolbenstange Kühlrippen trägt. Durch die Kühlung des bzw. jedes Umlaufkolbens kann die thermische

Ausdehnung in Grenzen gehalten werden und dadurch der genannte Spalt sehr eng gestaltet werden.

Das Ringgehäuse ist gemäß einer einfachen, robusten Bauweise ein in Axialrichtung geteiltes Gehäuse, das aus einem schüsseiförmigen Teil und einem Deckelteil zusammengesetzt ist, wobei in diesen Teilen die Antriebswelle gelagert ist; und im Umfangsbereich des Ringgehäuses befindet/befinden sich wenigstens eine, bevorzugt aber mehrere sich periodisch wiederholende, Arbeitsspiellänge(n) in einer Zahl, die von der Zahl der Umlaufkolben nicht notwendigerweise abhängig ist, und innerhalb der einzelnen Arbeitsspiellänge weist das Ringgehäuse entlang der Umlaufrichtung die Armaturen auf: den Anschluss in Form eines Fensters zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft, eine Durchführung zur Treibstoffeinspritzung, eine Zündkerze, einen Anschluss in Form eines Fensters zur Ableitung der Auspuffgase und Anschlüsse in Form von Fenstern zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft, wobei das Fenster zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft, die Durchführung zur Treibstoffeinspritzung, der Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase und die Anschlüsse zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft in der Gehäusewand jeweils durch die Rotationsbewegung des bzw. der Umlaufkolben(s) auf Durchlass oder Sperrung zu öffnen und zu schließen sind. Zwischen dem Fenster zur Versorgung mit Druckluft und der Durchführung zur Treibstoffeinspritzung oder der Zündkerze liegt eine Strecke, die die Umfangsabmessung des Umlaufkolbens übertrifft, zwischen der Durchführung zur Treibstoffeinspritzung und der Zündkerze liegt eine Strecke, die zwischen null und der Umfangsabmessung des Umlaufkolbens misst - die Durchführung zur Treibstoffeinspritzung und die Zündkerze können auch axial gleich weit, aber umfangsmäßig gegeneinander versetzt sein oder die Zündkerze kann vor der Durchführung kommen - , der Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase hat eine Ausdehnung in der Größenordnung der Umfangsabmessung des Umlaufkolbens und die Anschlüsse zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft haben eine Ausdehnung in Umfangsrichtung in der Größenordnung der Zwischenraumstrecke zwischen zwei Umlaufkolben im Umfangsbereich.

Eine verbesserte Nachverbrennung von eventuellen die Brennkammer unverbrannt verlassenden Restgasen wird dadurch bewirkt, dass von einer Druckluftleitung, die mit dem Fenster zur Versorgung der Brennkammer mit Druckluft verbunden ist, oder von einem Bereich dieses Fensters eine Leitung abzweigt, die in einen Nachverbrennungsraum mündet, der strömungsmäßig an den Anschluss zur Ableitung der Auspuffgase anschließt.

Die Konstruktion der Brennkraftmaschine kann ohne weiteres durch Vervielfachung erweitert werden, z.B. dadurch, dass im Ringgehäuse eine größere Zahl von mit der Abtriebswelle verbundenen Umlaufkolben vorzugsweise in gleichen Winkelabständen umlaufend angeordnet sind und insgesamt einen Rotor bilden, dass auf der Abtriebswelle in Axialrichtung hintereinander mehrere parallele Rotoren sitzen, deren Kolben jeweils in einem Ringgehäuse laufen, oder dadurch, dass um die Abtriebswelle mehrere Ringgehäuse in Axialrichtung hintereinander angeordnet sind, in denen jeweils einer der über ein eigenes Verbindungsglied mit der Abtriebswelle verbundenen Umlaufkolben umläuft.

Sind mehr als ein Umlaufkolben vorhanden, so kann bei Teillast oder auch bei Ausfall eines der Umlaufkolben der Betrieb mit weniger Umlaufkolben fortgeführt werden, ohne dass wesentliche Verluste durch Umsteuerungen, Unwucht und nutzlose Reibung entstehen. Eine Synchronsteuerung steuert dabei die Treibstoffzufuhr in Abhängigkeit von der Drehphase des Umlaufkolbens und kann im Fall von mehreren vorhandenen Umlaufkolben für einzelne von ihnen selektiv die Treibstoffzufuhr sperren; und zur Schaffung einer Ausfallsicherheitseinrichtung können die ölgefüllten Volumina jedes Umlaufkolbens mit einem Strömungsmitteltank verbunden sein, der ein Be- und Entlüftungsventil aufweist und einen Sensor enthält, der im Fall eines durch einen Schaden entstehenden Strömungsmittelmangels ein Signal abgibt, durch das ebenfalls die Treibstoffzufuhr abschaltbar ist, so dass Schäden infolge des Strömungsmittelmangels in einzelnen Umlaufkolben vermieden sind. Die Signalübertragung vom Rotor zum Sensor erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von von Dauermagneten erzeugten Magnetfeldern, so dass der Rotor keinen Stromanschluss benötigt.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinen unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch eine Brennkraftmaschine mit sechs Umlaufkolben, von denen zwei gerade in der Arbeitsphase der Zündung nach einer Aufladung mit Druckluft und Einleitung von Treibstoff sind;

Fig. 2 einen Querschnitt in einer Schnittebene II-II in Fig. 7 entsprechend Fig. 1 in einer späteren Arbeitsphase;

Fig.n 3 bis 6 Querschnitte entsprechend Fig.n 1 und 2 in weiterhin späteren Arbeitsphasen;

Fig. 7 einen Längsschnitt in einer geknickten Ebene VII-VII in Fig. 2;

Fig. 8 einen Längsschnitt in einer geknickten Ebene VIII-VIII in Fig. 4;

Fig. 9 einen Querschnitt entsprechend Fig. 1 durch eine abgewandelte Brennkraftmaschine, nämlich mit fünf Umlaufkolben;

Fig. 10 einen Schnitt durch einen der Umlaufkolben in der Längsrichtung des Umlaufkolbens;

Fig. 11 einen Schnitt entsprechend Fig. 10 in der auch in Fig. 4 dargestellten Arbeitsphase;

Fig.n 12 und 13 Schnitte durch unterschiedliche Ausführungen einer Ausfallsicher- heitseinheitseinheit;

Fig. 14 einen Schnitt etwa entsprechend Fig. 7 durch eine etwas abgewandelte Ausführungsform des Umlaufkolbens;

Fig. 15 einen Querschnitt durch einen Umlaufkolben nach einer weiterhin abgewandelten Ausführungsform .

Die Fig.n 1 bis 6 zeigen die Kernbestandteile einer erfindungsgemäßen sechskolbigen Brennkraftmaschine in verschiedenen Arbeitsphasen in einem Querschnitt. Die dargestellten Maschinenteile umfassen einen Rotor 1, der drehfest auf einer Maschinen- Abtriebswelle 2 sitzt, die die Rotationsachse des Rotors bestimmt, und einen Stator 3, der stationär oder gehäusefest ist. Der Rotor 1 enthält im Beispiel von Fig. 1 sechs Umlaufkolben 4, die nacheinander mit A bis F bezeichnet sind. Der Stator 3 hat eine Scheiben- oder Ringstruktur, seine rinnenformige oder bandringförmige Außenfläche entspricht etwa dem "Zylinder" einer Hubkolbenmaschine. Beim dargestellten Beispiel enthält der Stator zwei Arbeitsspielstrecken 5, mit sich wiederholendem Aufbau entlang dem Innenumfang des Stators 3. Die Zahl der Arbeitsspielstrecken kann der Polzahl von Elektromotoren verglichen werden. Eine höhere Zahl von Arbeitsspielstrecken 5 hat eine höhere Zahl von Zündungen und Zündgemisch- Verbrennungen je Umdrehung zur Folge, je nach Bauart aber andererseits kleinere Abmessungen der Brennkammern. Insofern ist eine Optimierung der Maschinenleistung nach dem vorgesehenen Zweck in Abhängigkeit von den Gegebenheiten des Einzelfalls vorzunehmen. Die Zahl der Arbeitsspielstrecken 5 ist jedenfalls nicht eine unmittelbare Funktion der Zahl der Umlaufkolben 4, beim Beispiel nach Fig.n 1 bis 6 mit sechs Kolben könnte z.B. auch eine einzige Arbeitsspielstrecke über den gesamten Innenumfang des Stators 3 erstreckt sein, oder beim Beispiel mit zwei Arbeitsspielstrecken 5 könnten auch vier oder fünf Umlaufkolben vorhanden sein. Bei einer Geradzahligkeit der Kolben und deren Anordnung in gleichmäßigen Winkelabständen ergibt sich ein etwas stärker stoßweiser Lauf, da die Explosionen an den gege-

nüberliegenden Arbeitsspielstrecken im allgemeinen gleichzeitig stattfinden. Die gleichmäßigen Winkelabstände sind zwar naheliegend, aber nicht notwendig. Auch können die Zündzeitpunkte etwas gegeneinander versetzt sein.

Vor der Beschreibung der in den Fig.n 1 bis 6 dargestellten Arbeitsphasen wird zunächst anhand von Fig.n 7 und 8 die Erläuterung des Aufbaus der Maschine ergänzt.

Die Fig.n 7 und 8 zeigen die Maschine im axialen Längsschnitt in in Fig. 2 bzw. 4 eingezeichneten geknickten Schnittebenen. Die Ausrichtung der Umlaufkolben 4 ist also nicht - wie Fig. 4 zunächst den Anschein zu erwecken scheint - auf die Achse der Welle 2 gerichtet, sondern läuft tangential an der Welle 2 vorbei. Die Verbindung der Umlaufkolben 4 mit der Welle 2 ist durch Seitenwände 10 des Rotors 1 hergestellt, die auf die Welle aufgekeilt sind. Die Seitenwände 10 sind mehrfach unterbrochen, um Luftströme durchzulassen, und können beispielsweise Speichenfelder sein. Nach einer Variante ist nur auf einer Seite eine Seitenwand vorhanden, an der die Teile des Rotors 1 befestigt sind. Außerhalb der Seitenwände 10 des Rotors 1 verlaufen Seitenwände 11 des Stators 3. In diesen Seitenwänden 11 ist die Welle 2 über Lager 12 gelagert. Die radiale Außenseite des Stators 3 wird duch eine zylinderförmige Außenwand 13 gebildet. Zwischen den Seitenwänden 10 und 11 liegen schmale Luftspalte von z.B. 0,1 mm Breite, so dass der Rotor 1 und der Stator 3 berührungslos und öllos gegeneinander drehbar sind.

Auf der Welle 2 und in starrer Verbindung mit dem Stator 3 sitzt ein ebenfalls einen Rotor und einen Stator umfassender Luftverdichter 16, der extern die Luftverdichtung für das Treibstoffgemisch erzeugt, die bei Hubkolbenmaschinen üblicherweise durch einen Takt des Hubkolbens bewirkt wird. Der Verdichter 16 ist über Druckluftleitungen 17 mit den beiden entsprechenden Stellen des Stators 3 in den jeweiligen Arbeitsspielstrecken 5 verbunden. Weiterhin sitzt auf der Welle 2 ein später erläuterter Luftverdichter 18, der als Lüfterflügel dargestellt ist. Ein Lagereinstellring 19, der auf die Welle 2 aufgeschraubt ist, sorgt zusammen mit einer gegenüberliegenden Wellenschulter 19a für die axiale Festlegung von Rotor und Stator auf der Welle.

Jeder Umlaufkolben 4 schließt an seiner radialen Außenseite und den Wandteilen des Stators 3 eine geschlossene Kammer ein, die die Brennkammer 20 des betreffenden Kolbens ist und durch Vorbeilauf an Fenstern im Stator zu entsprechenden Phasen des Brennzyklus Verbin-

dung zu äußeren Strömungswegen erhält, so dass sie in diesen Phasen dann nicht vollständig geschlossen ist. Jede Arbeitsspielstrecke 5 umfasst in Drehrichtung hintereinander, wie die Fig.n 1 bis 6 zeigen, ein mit der Druckluftleitung 17 kommunizierendes Fenster 21 zur Versorgung der Brennkammer 20 mit Druckluft (Fig. 2), eine Durchführung 22 zur Treibstoffeinspritzung (Fig. 1), eine Zündkerze 23, einen Anschluss in Form eines Fensters 24 zur Ableitung der Auspuffgase und Anschlüsse in Form von Fenstern 25 zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft. Die Fenster 25 sind in den Seitenwänden 10 und in der Außenwand 13 gebildet und erlauben eine effektive Durchspülung. Die Abmessungen und Abstände dieser Fenstern und Teile sind auf die umfangsmäßige Länge der Brennkammer 20 und der Arbeitsspielstrecke 5 abgestimmt. Das Fenster 21 soll möglichst lang sein, damit der hohe Druck in der Brennkammer, der sich über die Spalte zwischen den Teilen abbaut, bis zum Zündzeitpunkt möglichst vollständig erhalten bleibt. Zwischen dem Fenster 21 zur Versorgung mit Druckluft und der Zündkerze 23 liegt ein Korridor, dessen Länge die - hinsichtlich des Rotors und Stators - umfangsmäßige Abmessung des Umlaufkolbens 4 übertrifft, zwischen der Durchführung 22 zur Treibstoffeinspritzung und der Zündkerze 23 liegt eine Winkelstrecke, die kürzer als die Brennkammer 20 und somit als die Umfangsabmessung des Umlaufkolbens 4 ist -in der dargestellten Ausführung haben sie die gleiche Winkellage -, das Fenster 24 zur Ableitung der Auspuffgase hat eine Ausdehnung in der Größenordnung der Brennkammer 20 und die Fenster 25 zur Durchleitung von spülender und kühlender Frischluft haben in Umfangsrichtung eine Ausdehnung in der Größenordnung des Zwischenraums zwischen zwei Umlaufkolben 4 im Umfangsbereichoder größer. Bei der dargestellten Ausführungsform sind das Fenster 21 und die Durchführung 22 in einer der Seitenwände 11 gebildet, die Zündkerze ist in der Außenwand 13 eingeschraubt, das Fenster 24 ist ebenfalls in der Außenwand 13 gebildet und die Fenster 25 befinden sich gegenüberliegend in den beiderseitigen Seitenwänden 11, so dass die Luft an diesen Stellen in Axialrichtung durch den Stator hindurchtreten kann. Die Fenster 25 sind auch länger als die Brennkammer 20 und bewirken somit eine Durchspülung und Kühlung der Umlaufkolben 4 und der zwischen den Umlaufkolben 4 liegenden Rotorteile, die in diesem Bereich seitlich offen sind. Die Luft zur Durchspülung und Kühlung kommt von dem in den Fig.n 7 und 8 dargestellten Verdichter 18, dessen Verdichtungsgrad aber niedriger sein kann als der des Verdichters 16, oder kann auch von diesem geliefert werden. In der dargestellten Form ist der Verdichter 18 ein auf der Welle 2 sitzender Lüfter, der dir Spül- und Kühlluft durch das System drückt.

Vom Bereich des Fensters 21 zweigt eine zweite Druckluftleitung 26 ab, die zu einem an das Fenster 24 für die Abgase anschließenden Nachverbrennungsraum 27 führt. Jedem Umlaufkolben 4 ist in der Ausführungsform von Fig. 5 eine später genauer beschriebene Ausfallsicherheitseinheit 28 zugeordnet.

Das Ringgehäuse des Stators mit den beiden Seitenwänden 11 und der Außenwand 13 ist bei der aus den Fig.n 7 und 8 ersichtlichen Ausführung nach Art einer Schüssel mit Deckel ausgeführt, indem die in der Zeichnung rechts dargestellte Seitenwand 11 mit der Außenwand 13 die "Schüssel" und die links dargestellte Seitenwand 11 den "Deckel" bilden, die über radiale Flansche zusammengeschraubt sind. Der Einbau des Rotors 1 ist also nicht problematisch.

Die Zahl der sechs Umlaufkolben in der bisherigen Beschreibung ist nur beispielhaft, Fig. 9 zeigt eine Brennkraftmaschine mit fünf Umlaufkolben um den Wellenumfang. Die Betriebsweise dieser Maschine ist ähnlich der mit sechs Kolben, jedoch ist aufgrund der ungeraden Kolbenzahl und damit der generell ungleichen Zündzeitpunkte an den gegenüberliegenden Zündkerzen 23 der Lauf insgesamt noch ruhiger, da zu einer Zeit jeweils nur ein einziger Umlaufkolben zündet, in der dargestellten Phase der in der Figur rechts befindliche. Die Ausführung gemäß Fig. 9 unterscheidet sich außerdem dadurch von derjenigen nach den Fig.n 1 bis 6, dass im Rahmen einer einfacheren Ausführung die Ausfallsicherheitseinheiten 28 weggelassen sind.

Die Konstruktion der einzelnen Umlaufkolben 4, die zwischen den Seitenwänden 10 des Rotors 1 eingebaut sind, kann insbesondere den Fig.n 10 und 11 entnommen werden. Ein starr mit den Rotorseitenwänden 10 verbundenes Kolbengehäuse 29, das je nach der Form der Brennkammer 10 zylindrisch, quaderförmig oder mit einer sonstigen Umfangsform ausgebildet ist, weist an seiner der Außenwand 13 des Stators 3 zugewandten und der Drehrichtung nachlaufenden Seite eine Wandverlängerung 30 auf (Fig.n 1 bis 6), die die Brennkammer 20 an ihrer Rückseite begrenzt, hu Kolbengehäuse 29 ist gleitfähig ein Innenkolben 31 angeordnet. Der Innenkolben 31 schließt mit einem Kolbenboden 32 die Brennkammer 10 gegen die Innenflächen des Ringgehäuses des Stators 3 ab. Der Innenkolben besteht aus zwei Kolbenelementen, die im folgenden in Anlehnung an die Darstellung in den Fig.n 10 und 11 als "Oberkolben" 33 und "Unterkolben" 34 bezeichnet sind, koaxial hintereinander angeordnet sind und durch eine Kolbenstange 35 miteinander verbunden sind. Der Oberkolben 33 in seinem inneren, gegenüber dem Kolbenboden verjüngten Teil und der Unterkolben 34 haben

gleiche Querschnittsflächen und bei der beschriebenen Ausfuhrungsform auch gleiche Querschnittsform. Sie sind durch - bei der dargestellten Ausführung - zwei Druck-Schraubenfedern 36 und 37 nach außen in Richtung zur Brennkammer 20 gedrückt, wobei sich die Federn 36 und 37 innen an einem kolbengehäusefesten Zwischenring 40 bzw. an einem inneren Gehäusedeckel 41 abstützen. Die Zweizahl der Federn 36 und 37 hat nur Gründe der leichteren Gestaltung, um die gewünschte Höhe der gesamten Federsteifigkeit im zur Verfügung stehenden Raum zu erzielen. Anstelle von einzelnen koaxialen Schraubendruckfedern kommen als Rückstellkonstruktionen natürlich auch andere elastische Energiespeicher in Frage, beispielsweise Kränze von parallelen Schraubendruckfedern kleineren Durchmessers oder auch, wenn die sonstigen Voraussetzungen dafür gegeben sind, z.B. pneumatische Gasfedern. Die Federkraft der Federn 36 und 37 ist so bemessen, dass sie als Rückstellfedern eine Rückstellung des Innenkolbens 31 bewirken, aber nicht die gesamte Antriebskraft der Explosion in der Brennkammer aufzehren. An den Außenseiten des Oberkolbens 33 und des Unterkolbens 34 sitzen ölabstreifringe 38 bzw. 39. Die Kolbenstange 35 verbindet nicht nur die beiden Kolbenelemente 33 und 34, sondern steht auch über den Unterkolben 34 nach innen (in der Figur unten) vor und durchsetzt den Gehäusedeckel 41; an ihrem inneren Ende sitzen Muttern 42 zum Einstellen der Federkraft und Tellerfedern 43 als Sicherheitsanschlag .

Der Oberkolben 33 ist unterhalb des Kolbenbodens 32 verjüngt, dort befindet sich ein Raum 47 zur Kühlung des Innenkolbens. Der verjüngte Kolbenteil trägt dort Kühlrippen 48, und das Kolbengehäuse weist Fenster 49 auf, durch die ein Kühlluftstrom fließen kann. Weiterhin läuft der verjüngte Kolbenteil abgedichtet in einer äußeren Führungsbuchse 50 und der Unterkolben 34 in einer inneren Führungsbuchse 51, wobei sich die Worte "äußere" und "innere" auf die Drehung der Welle 2 und des Rotors 1 beziehen. Zwischen den Führungsbuchsen 50 und 51 liegen im Kolbengehäuse 29 zwei ölgefüllte Volumina 55 und 56, die durch den Zwischenring 40 voneinander getrennt sind, jedoch über Verbindungskanäle 57 miteinander verbunden werden können. Wenn der Unterkolben 34 am Zwischenring 40 anliegt, verschließt er die Verbindungskanäle 57, wenn er entgegen der Federkraft vom Zwischenring 40 abhebt, sind die Volumina strömungsmäßig gedrosselt verbunden. Die ölabstreifringe 38 und 39 zwischen dem Oberkolben 33 und der äußeren Führungsbuchse 50 bzw. zwischen dem Unterkolben 34 und der inneren Führungsbuchse 51 dichten die Gesamtheit der ölgefüllten Volumina 55 und 56 nach außen hin ab. An das Volumen 55 schließt sich ein Entlüftungsventil 58 an.

Der Zwischenring 40, der leicht außermittig zwischen den Führungsbuchsen 50 und 51 im Kolbengehäuse 29 liegt, hat eine mehrfache Funktion: Er trennt die Volumina 55 und 56 unter Belassung der Verbindungskanäle 57; er dient der Druckfeder 36, die von innen auf den Oberkolben 33 drückt, als Gegen-Abstützung; er stellt für den Unterkolben 34 den äußeren Anschlag dar, an den er durch die Druckfedern 36 und 37 gedrückt wird; und er dämpft den Aufschlag des Unterkolbens 34 bei dessen Bewegung von innen nach außen durch eine von ihm gegen den Unterkolben 34 zu abstehende Ringrippe 60, der im Unterkolben eine komplementäre Ringnut 61 gegenüberliegt.

Die beschriebene Brennkraftmaschine arbeitet folgendermaßen, wobei unter Bezugnahme auf die Fig.n 1 bis 6 zunächst nur auf die Vorgänge bei einem einzigen der Umlaufkolben 4, nämlich der Kolben A, eingegangen wird.

Der Rotor dreht sich in einer durch einen Drehrichtungspfeil 70 angegebenen Richtung. In Fig. 1 ist die Brennkammer 20 des Kolbens A noch drucklos, aber bereits geschlossen. Gemäß Fig. 2 läuft sie am Fenster 21 für die Druckluftzufuhr entlang und wird dadurch aufgeladen. Der Zustand des Umlaufkolbens 4 ist der von Fig. 10. In Fig. 3 besteht die Verbindung zur Druckluft noch weiter. Fig. 4 zeigt die Druckkammer 20 des Kolbens A dann vom Fenster 21 getrennt und im Bereich der Treibstoffdurchführung 22 und der Zündkerze 23 befindlich, wobei der niedergedrückte Zustand des Innenkolbens 31 die schon erfolgte Zündung anzeigt. Nach dem Aufladen der Brennkammer 20 mit Druckluft folgte also der Moment der Entzündung des Treibstoffgemischs, und nach dem Zündvorgang wurde der Innenkolben 31 aufgrund des Drucks auf den Kolbenboden 32 nach unten bewegt, wie Fig. 11 veranschaulicht. Das öl des oberen ölvolumens 55 wird dabei durch die engen Verbindungskanäle 57 in die Kammer des unteren ölvolumens 56 gepresst und die Druckfedern 36 und 37 werden zusammengedrückt. Die Kraft aufgrund des Gasdrucks der Treibstoff-Luft-Explosion wird vom Kolbenboden 32 über den Widerstand der Federn 36 und 37 und das Pressen des öls durch die Kanäle 57 sowie den weiterhin wirkenden Schub in eine Bewegung des Rotors in Drehrichtung umgewandelt. Nach diesem Arbeitsgang gerät die Brennkammer 20 des Kolbens A in den Bereich des Abgasfensters 24, wie Fig. 5 zeigt, und die Federn 36 und 37 drücken den Innenkolben 31 wieder zurück nach außen, wenn der Druck in der Brennkammer 20 nach- lässt. Ein zu harter Schlag bei Auftreffen des Unterkolbens 43 auf den Zwischenring 40 wird einerseits durch den Widerstand, der dem Rückfluss des öls durch die Kanäle 57 entgegenwirkt, und andererseits kurz vor dem Nullpunkt durch das Eindringen der Ringrippe 60 in die

ölgefüllte Ringnut 61 vermieden. Da der Rotor 1, das Kolbengehäuse 29 und der Kolbenboden 31 keine Dichtungen tragen und mit einem kleinstmöglichen Spiel arbeiten, werden bei diesen Innenkolbenbewegungen und bei der Rotordrehung Reibung und Verschleiß minimiert.

Mehr im einzelnen und unter Betrachtung aller sechs Umlaufkolben 4, die mit den Buchstaben A, B, C, D, E und F bezeichnet sind, werden unter Bezugnahme auf die Fig.n 1 bis 6 die im Rahmen der Drehung des Rotors 1 auftretenden Arbeitsphasen oder Takte angegeben. Zunächst sind zum Vorbereiten der Zündung die Brennkammern 20 der Kolben A und D mit Luft hohen Drucks aufgeladen worden und nun wird gemäß der in Fig. 4 dargestellten Phase durch eine (nicht dargestellte) Steuerung die Einspritzung des Treibstoffs in die Brennkammern 20 und dann, für A und D gleichzeitig oder zeitlich etwas versetzt, die Zündung des Treibstoff- Luft-Gemischs mit Hilfe der Zündkerzen 23 verursacht, woraufhin die Kolben A und D den "Korridor" verlassen und sich dem Fenster 24 für den Auspuff nähern, während sich die Kolben C und F im Kühl- und Durchblasabschnitt befinden. In der in Fig. 5 dargestellten Phase haben also die Kolben A und D Verbindung zum Auspuff-Fenster 24 ; der Druck in den beiden Brennkammern 20 bricht zusammen und die Innenkolben 31 des Umlaufkolbens 4 kehren in ihre Nullstellung zurück. Es folgt eine in Fig. 6 gezeigte Phase, in der diese Kolben sich in Verbindung mit dem jeweiligen Fenster 25 im Kühl- und Luftspülabschnitt befinden, während die Brennkammern der Kolben B und E Verbindung zum Fenster 21 bekommen, indem der vorlaufende Rand des Kolbenbodens 31 das Fenster 21 freigibt, und mit Druckluft aufgeladen werden, und die Kolben C und F in den Zündbereich kommen. Die Druckluft wird außerdem, und zwar zunächst überwiegend, durch die zweite Druckluftleitung 26 zum Nachverbrennungsraum 27 geleitet, um diesen mit Sauerstoff für die Nachverbrennung unverbrannt gebliebener Treibstoffreste zu versorgen, und bei der weiteren Drehung des Rotors wird die zu dieser Leitung 26 führende öffnung wieder geschlossen und es füllt sich die Brennkammer 20 mit Druckluft. Fig. 6 veranschaulicht dann auch die Kühlung und Luftspülung der Kolben A und D, und Fig. 2 die Auspuffverbindung der Kolben B und E und den Zustand der Kolben A und D, in dem sie die jeweilige zweite Druckluftleitung 26 geöffnet haben und Nachverbrennungsluft zum Nachverbrennungsraum 27 fließen lassen. Solange die Fenster 25 für die Spül- und Kühlluft frei sind, werden die Umlaufkolben gekühlt, während in ihrem jeweiligen Außenbereich die Brennkammer 20 drucklos weitergleitet, bis sie an das nächste Fenster 21 gelangt. Innerhalb der Umlaufkolben 4 schließen sich die beschriebenen Vorgänge erneut an. Die Rotoren 1 und mit ihnen die Brennkammern 20 drehen sich weiter.

Wenn der Rotor nun den Durchlauf durch die beschriebene Arbeitsspielstrecke 5 beendet , kommt die Brennkammer des Kolbens A in den gegenüber Fig. 1 um 180° versetzten Zündbereich der nächsten Arbeitsspielstrecke 5 (nicht separat dargestellt) und gelangt weiter in den Zündbereich und dann in den Zustand, in dem A sich am Auspuff-Fenster 24 der zweiten Arbeitsspielstrecke befindet und in seinem Nachverbrennungsraum 27 von B freigegebene Nachverbrennungsluft erhält, C sich im Kühl- und Luftspülabschnitt befindet, D das Fenster 21 für die Druckluft verlässt und in den Treibstoff- und Zündbereich gerät und E den Kühl- und Luftspülabschnitt zu verlassen beginnt und in den Korridor eintritt.

Jeder der Brennkammern 20 wird bei der dargestellten Ausführung im wesentlichen von drei Flächen begrenzt, nämlich von den Wänden 11 und 13 des Statorgehäuses, vom Kolbenboden 32 und von der Wandverlängerung 30. Soweit der Explosionsdruck auf die Fläche des Kolbenbodens 32 wirkt, handelt es sich um die positive Druckkomponente. Soweit er auf die Wandverlängerung 30 wirkt, ist es eine negative Komponente, da sie entgegen der Drehrichtung wirkt; diese negative Komponente muss von der positiven Komponente abgezogen werden. Der Druck auf die Außenwand 13 des Statorgehäuses stellt den Gegendruck zur Bewirkung der Kolbenbewegung dar. Die Höhe der negativen Komponente ist abhängig von der allgemeinen Dimensionierung der Maschinenelemente und von der Neigung der Umlaufkolben zum Radius des Rotors und Stators, durch die Gestaltung der Brennkammer 20 und des Kolbenbodens 32 können die Betriebsbedingungen optimiert werden. Beispielsweise ist bei einem viereckigen Kolbenboden, im Vergleich zu einem runden Kolbenboden, eine Vergrößerung der vom Explosionsdruck beaufschlagten Fläche um über 20% möglich, ohne dass die Negativseite größer wird.

Die Steuerung der Treibstoffeinspritzung und der Zündung zu den jeweils optimalen Zeitpunkten in Abhängigkeit von der Drehphase des Rotors ist nicht im einzelnen dargestellt und beschrieben, da es sich hier um an sich bekannte Techniken handelt.

In den Fig.n 1 bis 6 sind an den einzelnen Umlaufkolben 4 die Ausfallsicherheitseinheiten 28, die einen über eine Leitung 63 mit einem Rückschlagventil 64 an den Umlaufkolben 4 angeschlossenen kleinen öltank 65 enthalten, dargestellt. Die Einheiten 28 mit dem öltank 65 dienen der Sicherheit vor einem ölverlust in den ölgefüllten Volumina 55 und 56. Ausführungen dieser Ausfallsicherheitseinheiten sind in den Fig.n 12 und 13 gezeigt. Nach Fig. 12 um- fasst die Einheit 28 eine Kontakthalterung 71, Kontakte 72 und 73 für ein Signal zur Abschal-

tung der TreibstofFzufiihr bei ölverlust, einen Kolbenschaft 74, eine Kolbenführungsbuchse 75, einen Gehäusedeckel 76, ein Gehäuse 77, eine Druckfeder 78, einen Kolben 79 ausreichender Masse, um bei der Rotation seine Zentrifugalkraft ausnützen zu können, ein Entlü- fungsventil 80, ein Befiillungsventil 81, eine Kolbenmanschette 82, eine Befestigung 83 für die Kolbenmanschette, und das Strömungsmedium, nämlich beim beschriebenen Beispiel Hydrauliköl 84 im Tank 65. Die Ausfallsicherheitseinheit ist ein öldruckerzeuger, der bei ölmangel das beschriebene Signal abgibt. Die Arbeitsweise ist aus der Zeichnung zu entnehmen: Der ölvorrat im Tank 65 hält über das Rückschlagventil 85 die ölvolumina 55 und 56 des zugeordneten Umlaufkolbens 4 gefüllt, wobei die Druckfeder 78 und die Fliehkraft des Kolbens 79 diesen bei ölverbrauch allmählich nach außen schieben. Durch den öldruck wird der Kolben 79 im Regelfall entgegen der Kraft der Druckfeder 78 umdrehungsmäßig nach innen, also in der Zeichnung nach unten geschoben gehalten, so dass die Kontakte 72 und 73 nicht in Berührung kommen. Bei ölmangel schieben die Druckfeder 78 und die Fliehkraft den Kolben 79 nach außen/oben, bis schließlich aufgrund der Auswärtsbewegung des Kolbenschafts 74 die Kontakte 72 und 73 schließen und die Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden.

Nachteil der Konstruktion von Fig. 12 ist die Notwendigkeit, im Rotor elektrische Spannung bereitzuhalten, beispielsweise mit Hilfe von Schleifringen. Fig. 13 zeigt in vergleichbarer Darstellung eine Ausfallsicherheitseinheit, die einen "stromfreien" Rotor ermöglicht, indem das ölmangelsignal magnetisch zum Stator übermittelt wird. Die Grundkonstruktion gleicht der von Fig. 12, jedoch trägt der Kolben 79 auf der dem Kolbenschaft 74 gegenüberliegenden Seite eine weitere Kolbenstange 87, die durch einen Dichtring 88 gegen den Vorratsraum des Hydrauliköls abgedichtet ist und an ihrem Ende einen Magnetkopf 89 trägt, der mit Hilfe eines Dauermagneten ein magnetisches Feld nach außen, also in der Zeichnung nach oben, abgibt. An Stellen, an denen die Ausfallsicherheitseinheiten bei der Drehung des Rotors vorbeilaufen, befinden sich im Stator 3 Magnetfeldsensoren 90. Bei ölschwund steigt die Kolbenstange 87 nach außen/oben und erregt den Magnetfeldsensor 90, der ein Signal an die Steuerung abgibt, die für den betreffenden Umlaukolben das Abschalten der Treibstoffeinspritzung veranlasst. Der Treibstoff, der von einer Einspritzpumpe gefördert wird, wird nun in einen Rücklauf zum Tank geleitet.

Bei Maschinen mit mehreren Umlaufkolben wie z.B. fünf oder sechs Umlaufkolben muss der Steuerung natürlich die Information eingegeben werden, welchem Umlaufkolben, dem die

Treibstoffzufuhr gesperrt werden soll, das ölmangel-Signal zuzuordnen ist. Für eine entsprechende Technik gibt es verschiedene Verwirklichungen, beispielsweise können entsprechend der Zahl der Kolben und der Ausfallsicherheitseinheiten vorhandene Magnetfeldsensoren 9 im Ständer 3 in übereinstimmung mit den Magnetköpfen 89 axial etwas versetzt sein, so dass jedem Magnetkopf ein eigener Sensor zugeordnet ist; oder es gibt einen einzigen Magnetfeldsensor für alle Magnetköpfe 89, die Steuerung greift aber auch laufend die Drehstellung des Rotors 1 ab und setzt die beiderseitigen Signale in Beziehung zueinander; schließlich ist es auch möglich, dass die Magnetköpfe an der Außenseite jeweils unterschiedlich viele Magnetpole aufweisen, beispielsweise der Magentkopf des ersten Umlaufkolbens einen und der des fünften Kolbens fünf Pole, und dass der Sensor 90 oder ein Teil der Steuerung eine Auswertung entsprechend der Impulszahl des aufgefangenen Signals vornimmt. Durch eine solche Unterscheidung kann die Steuerung selektiv den Umlaufkolen leerlaufen lassen, der den 01- mangel angezeigt hat.

Bei ölmangel als Folge eines Defekts wird über das in diesem Fall vom Geber abgegebene Signal die Treibstoffzufuhr zum betreffenden Umlaufkolben abgeschaltet, während die anderen Umlaufkolben in ihren jeweiligen Zündphasen nach wie vor mit Treibstoff versorgt werden. Der defekte Umlaufkolben läuft also leer mit, und zwar praktisch ohne Reibung und ohne Unwucht. Eine Beschädigung des Systems ist vermieden.

Aufgrund des reibungs- und unwuchtarmen Laufs, auch wenn der betreffende Umlaufkolben abgeschaltet ist, kann auch zum Zweck eines Teillastlaufs ein Umlaufkolben oder ein Teil der Umlaufkolben "stillgelegt" werden, indem bei ihrem Vörbeilauf keine Treibstoffeinspritzung erfolgt, während die übrigen Umlaufkolben - mindestens einer - unverändert weiterarbeiten.

Fig 14 zeigt einen Längsschnitt etwa entsprechend Fig. 7, aber mit einer gewölbten Außenwand 91 des Stators und entsprechend geformter Wandverlängerung 30 des Kolbengehäuses 29. Grundsätzlich kann die Querschnittform der die Brennkammer außen umschließenden Rinne vielfältig abgewandelt werden und beispielsweise kreissegmentförmig-rund, ellipsen- segmentförmig-rund, rechteckig, trapezförmig oder auch irregulär sein. Die Wahl der Form wird einerseits von den thermodynamischen Konsequenzen und andererseits vom jeweiligen Herstellungsaufwand abhängig gemacht werden.

In Fig. 15 ist eine Brennkammer 93, die weitgehend im Außenkolben 33 versenkt ist und in diesem, sofern er einen rechteckigen Grundriss hat, eine Zylindersegmentform hat, dargestellt.

Diese Ausführungsvarianten veranschaulichen die vielfältige Abwandelbarkeit des erfindungsgemäßen Konzepts.