Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine mit elektrischem Antrieb am Rotationskolben

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Ver- brennungskraftmaschine,

- wobei die Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine mindes ^¬ tens einen Rotationskolben aufweist, der in einem Kolbenge- häuse der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist,

- wobei der Rotationskolben um eine Rotationsachse rotierbar ist,

- wobei der Rotationskolben Außenflächen aufweist, die an parallel zur Rotationsachse verlaufenden Grenzkanten unter Bildung eines jeweiligen Grenzwinkels aneinander angrenzen,

- wobei das Kolbengehäuse einen Einlassbereich zum Zuführen eines Frischgases, einen Zündbereich zum Zünden des Frischgases nebst nachfolgendem Verbrennen zu einem Abgas und einen Auslassbereich zum Abführen des Abgases aufweist,

- wobei die Grenzkanten den Einlassbereich, den Zündbereich und den Auslassbereich gegeneinander abdichten.

Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen können als Drehkolbenmotor oder als Kreiskolbenmotor ausgebildet sein. Ins- besondere Kreiskolbenmotoren sind allgemein bekannt. Insbe ^¬ sondere arbeitet jeder übliche Wankelmotor nach diesem Prinzip .

Im Stand der Technik werden zur Erzeugung elektrischer Ener- gie oftmals elektrische Maschinen mechanisch mit Verbrennungskraftmaschinen verbunden. Aufgrund dieser funktionalen Trennung ergeben sich mechanische Verluste beispielsweise durch Reibung, durch Umsetzungsgetriebe und dergleichen mehr. Weiterhin ergibt sich ein relativ großer Bauraum.

Zur Erreichung einer hohen Leistungsdichte bei kompakter Bauweise ist es von Vorteil, die elektrische Maschine in die Verbrennungskraftmaschine zu integrieren. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine in eine Rotationskolben-Verbrennungs- kraftmaschine der eingangs genannten Art zu integrieren. Die Aufgabe wird durch eine Rotationskolben-Verbrennungs- kraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vor ^¬ teilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rotationskol- ben-Verbrennungskraftmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 6.

Erfindungsgemäß wird eine Rotationskolben-Verbrennungskraft ^¬ maschine der eingangs genannten Art dadurch ausgestaltet,

- dass im Bereich der Grenzkanten der Rotor einer elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass am Kolbengehäuse der Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist,

- dass der Stator der elektrischen Maschine mit dem Rotor der elektrischen Maschine elektrisch zusammenwirkt und

- dass der Stator der elektrischen Maschine zur bidirektiona- len Übertragung elektrischer Energie mit einer Umrichtereinheit verbunden ist.

Durch diese Vorgehensweise kann die elektrische Maschine in die Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine integriert wer- den.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine ist der Stator an einer Außenseite des Kolbengehäuses angeordnet. Insbesondere in diesem Fall be- steht das Kolbengehäuse zumindest in demjenigen Bereich, der zwischen dem Stator und dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist, vorzugsweise aus einem nicht magnetisierbaren Material . Es kann in Einzelfällen möglich sein, dass der Stator sich von der Rotationsachse ausgesehen über einen Vollkreis erstreckt, also vollständig um die Rotationsachse herum. In der Regel erstreckt der Stator sich jedoch nur über einen Teilum- fang. Der Teilumfang kann insbesondere mit dem Bereich zwischen dem Einlassbereich und dem Zündbereich korrespondieren.

Vorzugsweise ist dem Rotationskolben ein Lagegeber zugeord- net, mittels dessen eine Drehstellung des Rotationskolbens erfasst wird. In diesem Fall kann die Drehstellung einer Steuereinrichtung für die Umrichtereinheit zugeführt werden und kann die Steuereinrichtung die Umrichtereinheit in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotationskolbens ansteuern.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei- spiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:

FIG 1 und 2 je eine Verbrennungskraftmaschine im Quer ^¬ schnitt .

Gemäß FIG 1 weist eine Rotationskolben-Verbrennungskraft ^¬ maschine einen Rotationskolben 1 auf. Der Rotationskolben 1 kann alternativ als Drehkolben (FIG 1) oder als Kreiskolben (FIG 2) ausgebildet sein. Im erstgenannten Fall rotiert der Rotationskolben 1 um eine ruhende Rotationsachse 2. Im letzt ^¬ genannten Fall rotiert der Rotationskolben 1 um eine Rotationsachse 2, die ihrerseits um eine Zentralachse 3 rotiert. In der Praxis wird meist der letztgenannte Fall realisiert sein. In beiden Fällen ist der Rotationskolben 1 um die Rotation- sachse 2 rotierbar. Der Rotationskolben 1 ist weiterhin in beiden Fällen in einem Kolbengehäuse 4 der Verbrennungskraft ^¬ maschine angeordnet.

Der Rotationskolben 1 weist Außenflächen 5 auf. Die Außenflä- chen 5 sind in der Regel entsprechend der Darstellung in FIG 1 und 2 gewölbt. Die Außenflächen 5 grenzen an Grenzkanten 6 aneinander an. Die Grenzkanten 6 verlaufen parallel zur Rota- tionsachse 2. Die Außenflächen 5 bilden an den Grenzkanten 6 einen jeweiligen Grenzwinkel miteinander.

Das Kolbengehäuse 4 weist einen Einlassbereich 7 auf, über den ein Frischgas 8 in den Zwischenraum zwischen der zu diesem Zeitpunkt im Einlassbereich 7 befindlichen Außenfläche 5 und das Kolbengehäuse 4 eingeführt wird. Beim Rotieren des Rotationskolbens 1 wird das eingeführte Frischgas 8 kompri ^¬ miert. Wenn die entsprechende Außenfläche 5 sich in einem Zündbereich 9 des Kolbengehäuses 4 befindet, wird das Frisch ^¬ gas 8 mittels einer entsprechenden Zündeinrichtung 9' - beispielsweise Zündkerzen 9' - gezündet. Das Frischgas 8 ver ^¬ brennt dadurch und wird zu Abgas 10. Beim weiteren Rotieren des Rotationskolbens 1 wird das Abgas 10 an einem Auslassbe- reich 11 des Kolbengehäuses 4 abgeführt.

Die Grenzkanten 6 dichten den Einlassbereich 7, den Zündbereich 9 und den Auslassbereich 11 gegeneinander ab. Soweit bisher beschrieben, entsprechen Aufbau und Wirkungsweise der beschriebenen Rotationskolben-Verbrennungskraftma ^¬ schine dem Aufbau und der Wirkungsweise einer üblichen Rota- tionskolben-Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines so genannten Wankelmotors. Erfindungsgemäß ist im Bereich der Grenzkanten 6 der Rotor 12 einer elektrischen Maschine angeordnet .

Der Rotor 12 kann beispielsweise entsprechend der Darstellung in FIG 1 und 2 Permanentmagnete 13 umfassen. In diesem Fall ist die elektrische Maschine als permanent erregte Synchron ^¬ maschine ausgebildet. Alternativ könnte der Rotor 12 eine Wicklung aufweisen. In diesem Fall wäre die elektrische Maschine als elektrisch erregte Synchronmaschine ausgebildet. Wiederum alternativ könnte die elektrische Maschine bei- spielsweise als Asynchronmaschine ausgebildet sein. Auch an ^¬ dere Ausgestaltungen sind möglich. Am Kolbengehäuse 4 ist ein Stator 14 der elektrischen Maschine angeordnet. Der Stator 14 ist vorzugsweise soweit radial innen wie möglich angeordnet. Der Stator 14 der elektrischen Maschine ist zur bidirektionalen Übertragung elektrischer Energie mit einer Umrichtereinheit 15 verbunden. Die elektri ^¬ sche Maschine wirkt - je nach Ansteuerzustand der Umrichter ^¬ einheit 15 - als Generator oder als Motor.

Gemäß FIG 1 und 2 ist der Stator 14 vorzugsweise an einer Au- ßenseite des Kolbengehäuses 4 angeordnet. Der Stator 14 kann alternativ an der Außenseite des Kolbengehäuses 4 in das Kol ^¬ bengehäuse 4 integriert sein oder außen am Kolbengehäuse 4 angeordnet sein. Das Kolbengehäuse 4 befindet sich also zwi ^¬ schen dem Rotor 12 und dem Stator 14, d.h. im so genannten Luftspalt. Vorzugsweise besteht daher das Kolbengehäuse 4 zu ^¬ mindest in demjenigen Bereich, der zwischen dem Stator 14 und dem Rotor 12 der elektrischen Maschine angeordnet ist, aus einem nicht magnetisierbaren Material. Ein Beispiel eines ge ^¬ eigneten Materials ist Aluminium. Alternativ kommen tempera- turfeste Kunststoffe infrage, beispielsweise Polyimide.

Der Stator 14 erstreckt sich von der Rotationsachse 2 aus ge ^¬ sehen meist nicht über einen Vollkreis, sondern nur über einen Teilumfang ß. Der Teilumfang ß liegt in der Regel zwi- sehen 90° und 180°, beispielsweise bei ca. 100° bis 120°. Der Teilumfang ß kann insbesondere mit dem Bereich zwischen dem Einlassbereich 7 und dem Zündbereich 9 korrespondieren.

Zur ordnungsgemäßen Ansteuerung der Umrichtereinheit 15 ist eine Steuereinrichtung 16 vorhanden. Um die Umrichtereinheit 15 ordnungsgemäß ansteuern zu können, ist es jedoch zusätzlich oftmals erforderlich, dass der Steuereinrichtung 16 (unter anderem) eine Drehstellung φ des Rotationskolbens 1 be ^¬ kannt ist. Vorzugsweise ist dem Rotationskolben 1 daher ein Lagegeber 17 zugeordnet, mittels dessen die Drehstellung φ erfasst wird. Die erfasste Drehstellung φ wird in diesem Fall der Steuereinrichtung 16 zugeführt. Die Steuereinrichtung 16 ist daher in der Lage, die Umrichtereinheit 15 in Abhängig- keit von der Drehstellung φ des Rotationskolbens 1 anzu ^¬ steuern. Die Drehstellung φ kann unter Umständen auf modulo n x 360° (= n x 2n) mit n > 1 bezogen sein. In manchen Fällen reicht eine Ermittlung modulo 360° (= 2n) .

Durch die Integration der elektrischen Maschine in die Verbrennungskraftmaschine kann auf einfache Weise zeit- und/oder stellungsabhängig auf den Rotationskolben 1 gezielt ein Drehmoment aufgebracht werden. Mittels der Steuereinrichtung 16 können - im Rahmen der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine und der Umrichtereinheit 15 - zeitvariable Drehmo ^¬ mente vorgegeben werden. Man erhält also eine aktive Ein ^¬ griffsmöglichkeit auf die Bewegung des Rotationskolbens 1. Die elektrische Maschine und die Umrichtereinheit 15 können um nach Bedarf dimensioniert werden. Es ist möglich, dass sie - ähnlich des elektrischen Anlassers oder der Lichtmaschine bei einem Automotor - nur unterstützend wirken. Alternativ ist es möglich, die elektrische Maschine und die Umrichter- einheit 15 derart zu dimensionieren, dass nahezu die gesamte von der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellte me ^¬ chanische Energie elektrische Energie umgewandelt wird.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine wurde obenste- hend in Verbindung mit einem einzelnen Rotationskolben 1 erläutert. Sie ist jedoch ohne weiteres auch bei Verbrennungs ^¬ kraftmaschinen mit mehreren Rotationskolben 1 anwendbar. Die Rotationskolben 1 können in diesem Fall insbesondere regelmäßig gegeneinander um die Rotationsachse 2 verdreht sein. Da- durch kann insbesondere auf einfache Weise eine gleichmäßige Erzeugung elektrischer Energie erreicht werden.

Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbeson ^¬ dere ergibt sich eine sehr kompakte Verbrennungskraftmaschine mit integrierter elektrischer Maschine.

Die erfindungsgemäße Verbrennungskraftmaschine ist nahezu universell einsetzbar, beispielsweise als Antrieb für Land- oder Wasserfahrzeuge aller Art, als stationäres Notstromag ^¬ gregat und dergleichen mehr.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge ^¬ schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .