BESCHREIBUNG

Rotationsbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Rotationsbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Rotationsbrennkraftmaschinen sind aus dem Stand der Technik in verschiedenen Ausfuhrungsformen bekannt. Sie unterscheiden sich gegenüber Hubkolbenbrennkraftmaschinen durch den Vorteil, dass keine Kraftübertragung von einer translatorischen Bewegung der Hubkolben auf eine Abtriebswelle erfolgen muss. Die bekannteste Rotationsbrennkraftmaschine ist der Wankelmotor, bei dem ein Kreiskolben auf einer Exzenterwelle angeordnet ist. Der Kreiskolben weist an seinem Umfang drei abgeflachte Kreisbogen auf, so dass in der Kammer, in der sich der Kreiskolben bewegt, drei Brennraume gebildet werden. Wei- terhin sind auch Rotationsbrennkraftmaschinen mit zwei ineinandergreifenden rotierenden Kolben bekannt, die in einer Kammer angeordnet sind, siehe beispielsweise die deutsche Of- fenlegungsschrift 2 057 475.

Nachteilig an den bisher bekannten Rotationsbrennkraftmaschinen ist, dass die Abdichtung der Brennraume problematisch ist, wodurch die Fertigung verteuert wird. Weiterhin ist beim Wankelmotor der langgestreckte Verbrennungsraum nachteilig, da er zu einer unvollständigen oder schlechten Verbrennung fuhren kann und eine hohe Wärmeabgabe aufweist. Die ungleich- maßige Form der Brennraume stellt ebenfalls einen Nachteil der Rotationsbrennkraftmaschinen mit zwei Kreiskolben dar.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotationsbrennkraftmaschine anzugeben, welche die Nachteile des Standes der Technik überwindet und insbesondere bei einem einfachen Aufbau eine verbesserte Verbrennung ermöglicht.

Die Aufgabe wird mit einer Rotationsbrennkraftmaschine gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung verbessert die Form des Brennraums, indem eine Kammer, in der sich zwei Kolben befinden, rotationssymmetrisch und ringförmig geschlossen ausgebildet wird, wobei die Kolben kreissegmentförmig in der Kammer in Drehrichtung hintereinander angeordnet sind. Dadurch entstehen zwischen den Kolben Brennräume, die den Brennräumen einer Hubkolbenbrenn- kraftmaschine ähneln, jedoch in dem Radius der ringförmig geschlossenen Kammer gekrümmt sind. Weiterhin bietet diese Anordnung den Vorteil, dass die Abdichtung der Brennräume verbessert ist, da die Brennräume nicht wie beim Wankelmotor mit einer schmalen Materiallippe abgedichtet werden, sondern wie bei einem Hubkolbenmotor durch einen Abschnitt der kreisseg- mentförmigen Kolben.

Zur Kraftübertragung werden die Kolben erfindungsgemäß mit einer Abtriebswelle verbunden, wobei die Verbindung in Dreh- richtung des durch ein sich ausbreitendes Gas angetriebenen Kolbens drehstarr ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass das sich ausbreitende Gas über den Kolben auf die Abtriebswelle wirkt.

Vorzugsweise weist die Rotationsbrennkraftmaschine zwei Kolben auf, die jeweils ein 120° umfassendes Kreissegment bilden. Die zwei dabei gebildeten Brennräume nehmen dementsprechend jeweils maximal 120° des Vollkreises ein.

Die Erfindung ist nicht auf die Anordnung von zwei kreisseg- mentförmigen Kolben beschränkt, vielmehr können auch mehr als zwei Kolben in der ringförmigen Kammer angeordnet werden, so dass mehr als zwei Brennräume gebildet werden. Die Abtriebs- welle kann als innerhalb der ringförmigen Kammer liegende Welle ausgeführt sein, es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Abtriebswelle eine Hohlwelle ist, die um die ringförmige Kammer herum angeordnet ist. weiterhin ist auch vorstellbar, dass die Abtriebwelle wie bei einer einfachen Wellenkupplung auf einer Seite der ringförmigen Kammer in Form eines Rings oder einer Scheibe axial an die Kammer angrenzt. Die unabhängig voneinander drehbar in der Kammer angeordneten Kolben können durch ein mittig angeordnetes Lager geführt sein, wobei in diesem Fall zwischen den Kolben und dem mittig ange- ordneten Lager eine Verbindung angeordnet werden muss. Es ist auch möglich, die Kolben in der ringförmigen Kammer ohne weitere Drehlagerung anzuordnen, so dass die Kolben in der Kammer kreisförmig rutschen können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kolben oder die Kammer mit an der Oberfläche angeordneten Rollenlagern auszurüsten. Die Kolben füllen vorteilhafterweise lediglich an den in Umfangsrichtung außen liegenden Begrenzungsflächen, welche die Begrenzungsflächen zu den Brennräumen darstellen, die Kammer vollständig aus, um die Brennräume abzudichten. Zwischen den beiden Begrenzungs- flächen kann ein Kolben jeweils beliebig gestaltet sein, beispielsweise um Möglichkeiten zur Kraftübertragung, Stromübertragung oder für eine Hydraulikverbindung bereitzustellen.

Betrieben wird die erfindungsgemäße Rotationsbrennkraftma- schine vorzugsweise in einem 2- oder in einem 4-Taktverfah- ren. Hierzu sind an geeigneter Stelle der Kammer Luft-, Kraftstoff- oder Gemisch-Einlässe und entsprechende Auslässe vorzusehen. Die Vorgänge in einem Brennraum entsprechen dabei den Takten einer 2-Takt-betriebenen oder 4-Takt-betriebenen

Hubkolbenbrennkraftmaschine. Weiterhin ist bei geeigneter Anpassung der Rotationsbrennkraftmaschine ein Betrieb mit unterschiedlichen Kraftstoffen möglich, beispielsweise Ottokraftstoff, Dieselkraftstoff, Erdgas oder Wasserstoff. Bei dem Betrieb mit Wasserstoff ist allerdings zu berücksichtigen, dass die gegenüber dem Wankelmotor vorteilhafte geringere Wärmeabgabe der gekrümmten, jedoch kompakten Brennräume bei einem Betrieb mit Wasserstoff zu berücksichtigen ist, um eine vorzeitigen Gemischzündung zu verhindern.

Durch eine Gestaltung der Begrenzungsflächen der Kolben kann die Form des Brennraums zum Zündzeitpunkt angepasst werden. Bevorzugt wird ein im wesentlichen linsenförmiger Brennraum, wobei die Begrenzungsflächen jeweils bezüglich der Kolben nach innen gekrümmt sind. An geeigneter Stelle kann ein Glühfaden oder eine Glühkerze angebracht werden, wobei eine Anbringung an der Wand der Kammer oder an einer der Begrenzungsflächen möglich ist.

Zur Verbindung der Abtriebswelle mit dem Kolben wird vorzugsweise eine Abtriebskupplung vorgesehen. Die Abtriebskupplung verbindet den Kolben mit der Abtriebwelle in Drehrichtung des Kolbens drehstarr und lösbar. Die Abtriebskupplung wird bevorzugt steuerbar ausgeführt, so dass die drehstarre Verbin- düng zwischen der Abtriebswelle und dem jeweiligen Kolben steuerbar arretiert und gelöst werden kann. Vorzugsweise ist jeder Kolben über eine Abtriebskupplung mit der Abtriebswelle lösbar verbunden.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung weist ein Widerlager auf, wobei die Kolben unabhängig voneinander mit dem Widerlager lösbar verbindbar sind. In Verbindung mit der lösbaren Verbindung der Kolben mit der Abtriebswelle lässt sich auf diese Weise jeweils ein Kolben an dem Widerlager arretie-

ren und ein weiterer Kolben mit der Abtriebswelle verbinden, so dass ein sich in dem Brennraum zwischen den beiden Kolben gezündetes Gemisch bei der Ausbreitung sich gegen den mit dem Widerlager verbundenen Kolben abstützt und den mit der Ab- triebswelle verbundenen Kolben antreibt, so dass ein Drehmoment auf die Abtriebswelle übertragen wird. Durch die lösbaren Verbindungen der Kolben mit dem Widerlager und der Abtriebswelle kann bei einem 4-Takt-Betrieb der Rotationsbrennkraftmaschine auch das Ausblasen des verbrannten Gemisches, das Ansaugen von Luft oder Gemisch und die Verdichtung organisiert werden, indem die Kolben in zeitlich bestimmter Abfolge jeweils mit dem Widerlager oder der Abtriebswelle verbunden werden.

Vorteilhafterweise ist zwischen dem Widerlager und einem der Kolben eine Widerlagerkupplung angeordnet. Bevorzugt wird, wenn zwischen jedem der Kolben und dem Widerlager eine Widerlagerkupplung angeordnet ist.

Das Widerlager selbst ist bevorzugt starr mit einem die Rotationsbrennkraftmaschine umgebenden Gehäuseblock verbunden und kann ähnlich wie die Abtriebswelle auf verschiedene Weise ausgeführt sein. Beispielsweise ist es möglich, das Widerlager als starre innere Welle an der Symmetrieachse der rotati- onssymmetrischen Kammer anzuordnen. Weiterhin ist auch eine

Anordnung an der Außenseite der Kammer möglich, beispielsweise in Form eines umlaufenden Rings, oder einer Anordnung seitlich neben der Kammer, ähnlich einer Scheibenkupplung.

Vorteilhafterweise sind die Widerlagerkupplung und/oder die Abtriebskupplung von dem Inneren der Kammer räumlich getrennt. Dies bietet den Vorteil, dass die Kupplungen nicht den hohen Temperaturen der Verbrennungsprozesse ausgesetzt sind. Eine vorteilhafte Möglichkeit ist, die Kupplungen von

den Kolben dadurch zu trennen, dass die Kolben starr mit um die Kammer umlaufenden Ringen verbunden sind, auf die von außen mit Kupplungselementen zugegriffen werden kann. Als Kupplungselemente kommen beispielsweise steuerbare Zapfen, Klemm- kupplungen, Zahneingriffe und andere dem Fachmann bekannte Möglichkeiten in Frage, wobei dies allgemein für innen oder außen angeordnete Abtriebs- und Widerlagerkupplungen gilt. Der starr mit dem Kolben verbundene Ring kann auch innen angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass die Baugröße der Rotationsbrennkraftmaschine bei maximiertem Radius der ringförmigen Kammer in Grenzen gehalten werden kann.

Bevorzugt wird eine Widerlagerkupplung oder eine Abtriebskupplung, die automatisch arbeiten, beispielsweise indem sie mit einer Raste ausgerüstet sind, die von einer Feder in eine Rastposition gedrückt wird. Durch Anordnen einer Abtriebsraste und einer Widerlageraste, die in entgegengesetzte Richtungen wirken, ist es möglich, die Arretierung und die Verbindung der Segmente mit der Abtriebswelle oder dem Widerlager vollständig automatisch durchzuführen.

Die erfindungsgemäße Rotationsbrennkraftmaschine kann in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder Schiffen eingesetzt werden. Auch ein stationärer Betrieb ist möglich.

Einen unabhängigen Gegenstand der Erfindung bildet ein Antriebsstrang, insbesondere ein Antriebsstrang für ein Fahrzeug, der eine Rotationsbrennkraftmaschine in einer der vorteilhaften Ausführungsformen aufweist. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang verfügt zusätzlich über eine elektrische Maschine. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine ein Generator oder ein elektrischer Motor. Besonders bevorzugt wird eine elektrische Maschine, die als Generator und als Motor betrieben werden kann. Dies bietet den Vorteil, dass ein Hyb-

rid-Antrieb mit Bremsenergierückführung möglich ist. Die Rotationsbrennkraftmaschine und die elektrische Maschine wirken vorzugsweise auf die selbe Abtriebswelle. Allgemein wird bevorzugt, dass auf einem Antriebsstrang mehrere Rotations- brennkraftmaschinen in einer der obengenannten Ausführungsformen angeordnet werden, um die Unwucht der einzelnen Rotationsbrennkraftmaschinen auszugleichen. Eine andere Möglichkeit, die Unwucht der Rotationsbrennkraftmaschine auszugleichen, ist außerhalb der Kammer weitere Segmente anzuordnen, die jeweils mit einem in der Kammer umlaufenden Kolben starr verbunden sind.

Die Erfindung wird anschließend anhand der beigefügten Abbildungen, die eine exemplarische Ausführungsformen der Erfin- düng zeigen, näher erläutert.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform der Rotationsbrennkraftmaschine .

Figuren 2A - 2C zeigen die Arbeitsweise der Rotationsbrennkraftmaschine der Figur 1.

Figur 3 zeigt schematisch einen exemplarischen An- triebsstrang gemäß der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Rotationsbrennkraftmaschine 1 in Schnittansicht. Ein Gehäuse 2 umgibt von außen eine ringförmige Kammer, in der ein erster Kolben 3 und ein zweiter Kolben 4 angeordnet sind. Die Kammer, in der die Kolben 3 und 4 angeordnet sind, wird nach innen durch eine Abtriebswelle 5 begrenzt, wobei die Kammer eine rotationssymmetrische Form aufweist. Die Kolben 3 und 4 sind in der Kammer grundsätzlich unabhängig voneinander und frei bewegbar,

wobei sie aufgrund ihrer kreissegmentartigen Form bei ihrer Bewegung dem Verlauf der Kammer folgen, so dass sie eine Drehbewegung um die mittig angeordnete Abtriebswelle 5 ausführen. Zwischen den beiden Kolben 3 und 4 werden eine erste Brennkammer 6 und eine zweite Brennkammer 7 gebildet, die durch Begrenzungsflächen 10 der Kolben 3 und 4 in radialer Richtung begrenzt werden.

Die allgemeine Drehrichtung der Abtriebswelle 5 ist in der Darstellung in Figur 1 gegen den Uhrzeigersinn gerichtet. Um ein Drehmoment von den Kolben 3 und 4 auf die Abtriebswelle 5 zu übertragen, sind an den Kolben 3 und 4 jeweils Mitnehmernocken 15 und 16 angeordnet. Die Mitnehmernocken 15 und 16 weisen eine rastenförmige Gestalt auf und greifen in Rastpo- sitionen 20 der Abtriebswelle 5 ein, wobei die Mitnehmernocken 15 und 16 jeweils von einer Feder 17 und 18 in die Rastpositionen 20 gedrückt werden.

Die in der Figur 1 dargestellte Rotationsbrennkraftmaschine 1 ist in einer Stellung gezeigt, bei der die Kolben 3 und 4 in der Schnittansicht oben nahe beieinander sind, wobei in dem dazwischenliegenden Brennraum 6 zu diesem Zeitpunkt ein Luft- Kraftstoff-Gemisch gezündet wird. über den zweiten Kolben 4 und die Mitnehmernocke 16 wird die Abtriebswelle 5 angetrie- ben. Als Abstützung für das sich ausbreitende explodierende

Gemisch dient der erste Kolben 3, der über eine Widerlagerno- cke 25 gegen das Gehäuse 2 abgestützt wird. Das Gehäuse 2 dient somit als Widerlager für die Explosion in dem ersten Brennraum 6. Die Widerlagernocke 25 wird durch eine Widerla- gerfeder 26 in eine Rastposition 31 des ersten Kolbens 3 gedrückt. In dem Gehäuse 2 sind zwei weitere Widerlagernocken 27 und 29 angeordnet, die über Widerlagerfedern 28 und 30 nach innen gedrückt werden. Die Widerlagernocken 25, 27 und 29 sind in dem Gehäuse 2 um 120° versetzt angeordnet, so dass

die Kolben 3 und 4, die ebenfalls jeweils einen Winkel von jeweils 120° einnehmen, an drei Positionen als Widerlager für eine Explosion in einem der Brennräume 6 oder 7 dienen können. Bei der in der Figur 1 gezeigten Position wird der zwei- te Kolben 4 nicht von der Widerlagernocke 27 gehalten, da der zweite Kolben 4 durch die Explosion in dem ersten Brennraum 6 gegen den Uhrzeigersinn gedrückt wird, wobei die Widerlagernocke 27 gegen ihre Feder 28 gedrückt wird und so den Weg für den zweiten Kolben 4 freigibt.

An der unterhalb der Zeichenebene liegenden Rückwand der Rotationsbrennkraftmaschine 1 sind Gemischeinlassöffnungen 35 angeordnet, wobei lediglich die im Bereich des zweiten Brennraums 7 liegenden Gemischeinlassöffnungen 35 zu sehen sind, da die anderen Gemischeinlassöffnungen von den Kolben 3 und 4 verdeckt sind. An der oberhalb der Zeichenebene liegenden, nicht dargestellten Wand der Kammer der Rotationsbrennkraftmaschine 1 sind Gemischauslassöffnungen angeordnet. Zum dargestellten Zeitpunkt des Betriebs wird durch die Gemischein- lassöffnungen 35 Gemisch unter Druck in den zweiten Brennraum 7 eingeblasen, wobei das verbrannte Gemisch des letzten Arbeitstaktes der Rotationsbrennkraftmaschine 1 durch die obenliegenden, nicht dargestellten Gemischauslassöffnungen herausgedrückt wird. Zur Druckerzeugung wird das Gemisch durch einen mit der Abtriebswelle verbundenen Kompressor geführt, bevor es in einen der Brennräume 6 und 7 gelangt. Die Rotationsbrennkraftmaschine 1 wird dementsprechend im 2-Takt- Betrieb betrieben und mit einer Gleichstromspülung gespült. Andere Spülverfahren sind dem Fachmann bekannt und können e- benso angewendet werden. Beispielsweise kann eine Querstromspülung oder eine Schnürle-Umkehrspülung verwendet werden, wobei die Gemischeinlassöffnungen und die Gemischauslassöffnungen entsprechend anzuordnen sind.

Bei der folgenden Beschreibung der Figuren 2A bis 2C und 3 werden für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet, wobei in den Figuren 2A bis 2C die in der Figur 1 schematisch gezeigte Rotationsbrennkraftmaschine 1 jeweils in ei- ner anderen Arbeitsposition dargestellt ist. Zur besseren ü- bersichtlichkeit der Figuren 2A bis 2C und 3 sind in diesen Figuren einige Bezugszeichen weggelassen.

In der Figur 2A ist die Brennkraftmaschine nochmals in der in der Figur 1 gezeigten Position gezeigt, wobei dies die Position zu Beginn des ersten Taktes des Arbeitsablaufs der Rotationsbrennkraftmaschine 1 ist. In dem ersten Brennraum 6 erfolgt zu diesem Zeitpunkt die Zündung eines Gemisches, wohingegen der zweite Brennraum 7 gespült wird. Zur Spülung wird durch die Gemischeinlassöffnungen 35 Gemisch unter Druck eingeblasen, wobei durch die nicht dargestellte Gemischauslassöffnungen verbranntes Gemisch der letzten Explosion in dem zweiten Brennraum 7 ausgestoßen wird. Aufgrund der Explosion in dem ersten Brennraum 6 wird der Kolben 4 gegen den Uhrzei- gersinn gedreht, wobei er die Abtriebswelle 5 antreibt. Der erste Kolben 3 dient dabei als Abstützung oder Widerlager für das sich ausbreitende Gemisch.

In der Figur 2B ist die Rotationsbrennkraftmaschine 1 in ei- nem Zustand während des ersten Arbeitstaktes gezeigt, wobei das sich ausbreitende Gemisch in dem ersten Brennraum 6 den zweiten Kolben 4 bereits um etwa 70° gegen den Uhrzeigersinn gedreht hat. Durch den sich drehenden zweiten Kolben 4 kommt es aufgrund des zu diesem Zeitpunkt feststehenden ersten KoI- bens 3 zu einer Verdichtung des noch unverbrannten Gemisches in dem anderen, zweiten Brennraum 7.

In der Figur 2C ist die Rotationsbrennkraftmaschine 1 zum Ende des ersten Arbeitstaktes und zu Beginn des zweiten Ar-

beitstaktes gezeigt, wobei der Beginn des zweiten Arbeitstaktes gekennzeichnet ist durch die Explosion des in dem zweiten Brennraum 7 befindlichen Gemisches. Der zweite Kolben 4 hat sich gegenüber der in der Figur 2A gezeigten Position um 120° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, wobei das sich in dem zweiten Brennraum 7 befindliche Gemisch vollständig komprimiert wurde. Der erste Brennraum 6 hat nun sein größtmögliches Volumen eingenommen und wird zu diesem Zeitpunkt gespült. Dies bedeutet, dass durch die nun im Bereich des ersten Brennraums 6 liegenden Gemischeinlassöffnungen 35 frisches Gemisch unter Druck in den ersten Brennraum 6 eingeblasen wird und verbranntes Gemisch über die nichtdargestellten Gemischauslassöffnungen abgeführt wird.

Durch die Explosion in dem zweiten Brennraum 7 zu Beginn des zweiten Arbeitstaktes wird in der Folge der erste Kolben 3 bewegt, wobei nun der zweite Kolben 4 als Widerlager dient. über den ersten Kolben 3 wird die Abtriebswelle 5 weiter gedreht, so dass es zu einem fortwährenden Antrieb der Ab- triebswelle 5 kommt. Der übrige Ablauf des zweiten Arbeitstaktes der Rotationsbrennkraftmaschine 1 läuft analog zu dem dargestellten ersten Arbeitstakt ab, wobei in dem ersten Brennraum 6 das dort befindliche frische Gemisch komprimiert wird. Während des zweiten Arbeitstaktes bewegt sich der erste Kolben 3 gegen den Uhrzeigersinn, wohingegen der zweite Kolben 4 in seiner Position verharrt.

Im dargestellten Beispiel wird die Rotationsbrennkraftmaschine mit einem 2-Takt-Verfahren betrieben, durch geringfügige änderungen der Rotationsbrennkraftmaschine 1, beispielsweise durch Vorsehen von steuerbaren Abtriebs- und Widerlagerkupplungen für die Kolben 3 und 4, ist ebenso ein 4-Takt-Betrieb möglich. Vorteilhafterweise werden für einen 4-Takt-Betrieb zwei oder mehr der dargestellten Rotationsbrennkraftmaschinen

1 auf einer Abtriebswelle angeordnet, so dass es zu einem möglichst gleichmäßigen Antrieb der Abtriebswelle kommt.

In der Figur 3 ist ein Antriebsstrang dargestellt, der sich besonders für die Verwendung in einem Fahrzeug eignet und der über insgesamt drei Rotationsbrennkraftmaschinen 1 verfügt. Die Rotationsbrennkraftmaschinen 1 sind entsprechend dem in der Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiel aufgebaut und gemeinsam auf einer Abtriebswelle 5 angeordnet. Zwischen den Rotationsbrennkraftmaschinen 1 sind jeweils zwischen zwei Rotationsbrennkraftmaschinen 1 elektrische Maschinen 40 angeordnet, die zur übertragung von Drehmomenten mit der Abtriebswelle 5 verbunden sind. Mit den elektrischen Maschinen 40 ist ein Antrieb der Abtriebswelle 5 möglich, auch falls die Rotationsbrennkraftmaschinen 1 nicht betrieben werden, da die Rotationsbrennkraftmaschinen 1 aufgrund ihres Aufbaus mit den Mitnehmernocken 15 und 16 über einen Freilauf verfügen. Falls das durch die Rotationsbrennkraftmaschinen 1 zur Verfügung gestellte Drehmoment auf der Abtriebswelle 5 über dem geforderten Drehmoment der Abtriebswelle 5 liegt, können die elektrischen Maschinen als Generatoren eingesetzt werden, beispielsweise um eine Batterie zu laden, mit der die elektrischen Maschinen 40 zu einem anderen Zeitpunkt angetrieben werden können.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen im Rahmen der Erfindung möglich.