DE102007019985A1

DE102007019985A1 - Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben

Info

Publication number: DE102007019985A1
Application number: DE200710019985
Authority: DE
Inventors: Bernd Pfalz
Original assignee: HILLIG TOM
Current assignee: PA-FUTURE UG, DE; PA-FUTURE, DE
Priority date: 2007-04-21
Filing date: 2007-04-21
Publication date: 2009-05-14

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine zu schaffen, die die Nachteile von Hubkolbenmaschinen und bisher bekannten Rotationskolbenmaschinen eliminiert und die Vorteile beider Systeme in sich vereinigt. Der Grundaufbau soll ermöglichen, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben als Verbrennungskraftmaschine, Wärmekraftmaschine, Verdichter, Pumpe, Druckgasmotor etc. ausführbar ist. Die erfindungsgemäße Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben ist in Anspruch 1 offenbart. Sie ist aus einem oder mehreren Kolben, die mit einer rotierenden Welle verbunden sind, aufgebaut. Die Rotationskolben rotieren in einem ringförmigen Hohlraum zwischen Welle und Gehäuse. Im ringförmigen Hohlraum ist ein Trennelement angeordnet, das aus dem Hohlraum bewegt wird, wenn der Kolben die Position des Trennelementes passiert. Einsatzgebiet der Erfindung ist der Kraft- und Arbeitsmaschinenbau.

Description

Die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben besteht aus einem Gehäuse, in dem eine drehbar gelagerte Welle angeordnet ist und durch Gehäuse und Welle ein ringförmiger Hohlraum gebildet wird. Im ringförmig um die Welle angeordneten Hohlraum ist ein mit der Welle verbundener Rotationskolben beweglich angeordnet. Weiterhin ist ein bewegliches Trennelement im Gehäuse angeordnet, das so verschiebbar ist, dass es den Hohlraum trennt bzw. freigibt. Wenn der um die Welle rotierende Kolben in den Bereich des Trennelementes kommt, gibt das Trennelement den Hohlraum frei, so dass der Rotationskolben passieren kann. Danach schließt es den Hohlraum wieder. Im Gehäuse sind in Drehrichtung jeweils vor und nach dem Trennelement Öffnungen angeordnet. Die Öffnungen dienen dem Einlass des Arbeitsmediums bzw. des Verbrennungsgasgemisches und dem Auslasses der Abgase. Sie sind in der Regel ventil- bzw. klappengesteuert.
Die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben kann als 2- oder 4-Takt-Brennkraftmaschine bzw. als Wärmekraftmaschine oder im Umkehrprinzip als Verdichter bzw. Pumpe arbeiten. Auch ist es möglich, dass der Rotationskolbenmotor mit vorverdichteter Luft arbeitet.
Kraft- und Arbeitsmaschinen sind in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt. Als Verbrennungskraftmaschinen sind vor allem Hubkolbenmotoren, wie Otto- und Dieselmotoren, bekannt und am weitesten verbreitet.
Andere Kraftmaschinen werden als Drehkolben-, Kreiskolben- oder Rotationskolbenmaschinen bezeichnet. Bei diesen Maschinen gibt es eine Vielzahl von Bauweisen, wobei nur wenige davon praxisrelevant sind.
Bekannt sind insbesondere der Wankelmotor, der Roots-Verdichter und der Druckzellenmotor.
Aus der Patentliteratur ist eine Vielzahl von Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Rotationskolben in unterschiedlichsten Ausführungen bekannt.
Grundsätzlich bewegen sich in Hubkolbenmaschinen die Kolben oszillierend. Durch Pleuel und Kurbelwelle wird diese Bewegung in eine Drehbewegung umgewandelt. Nachteilig sind insbesondere, dass der Kolben periodisch in entgegengesetzte Richtungen beschleunigt werden muss. Rotationskolbenmaschinen versuchen, die Expansionsenergie unmittelbar in eine Drehbewegung umzusetzen.
Das Problem der Rotationskolbenmaschinen besteht darin, dass ein Raum realisiert sein muss, der es ermöglicht, dass die gesamte Expansion des Arbeitsmediums zur Verdrängung des Kolbens führt bzw. eine Kompression des Arbeitsmediums ermöglicht. Dies erfordert in der Regel einen Raum, der ausschließlich durch die Kolbenbewegung in seiner Größe veränderlich ist.
Beim Wankelmotor dreht sich ein dreieckiger Läufer in einem fast viereckigen Gehäuse und berührt dabei ständig die Gehäusewand. Die Kontur des Kreiskolbens besteht aus drei abgeflachten Kreisbögen und sieht wie ein "bauchiges" Dreieck aus. Der Kreiskolben dreht sich in einem Gehäuse, welches die Form einer an der langen Seite abgeflachten und an der kurzen Seite eingebuchteten Ellipse hat. Der Drehkolben ist innenverzahnt und gibt die Energie an ein auf der Welle angeordnetes Zahnrad ab.
Der Kreiskolbenmotor arbeitet nach dem Viertaktprinzip. Läuft der Kolben am Einlassschlitz vorbei, wird durch Volumenzunahme des Arbeitsraumes eine dem Kammervolumen entsprechende Menge Kraftstoff-Luft-Gemisch angesaugt. Durch den bei der weiteren Drehung des Kreiskolbens immer kleiner werdenden Arbeitsraum wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch im zweiten Arbeitstakt verdichtet. Nach dem Gasgesetz erwärmt es sich bereits durch die Verdichtung. Wenn das Kraftstoff-Luft-Gemisch seine höchste Dichte erreicht und die Zündkerze passiert hat, wird das Gemisch gezündet. Die bei der Verbrennung frei werdende Wärme führt zu einer Druckzunahme, wodurch am Kreiskolben nutzbare Arbeit verrichtet wird. Bei dieser Drehung des Arbeitsraumes vergrößert sich das Brennraumvolumen wieder. Man spricht dabei vom Arbeitstakt.
Die bei der Verbrennung frei werdende Energie geht direkt in eine Drehbewegung der Exzenterwelle über. Nach Erreichen des Auslassschlitzes wird das Abgas durch diesen ausgestoßen. Der Kolben übernimmt die Funktion der Ventile für Ein- und Auslass. Zahlreiche Patente basieren auf dem Konstruktionsprinzips des Wankelmotors.
In der DE 3140763 A1 wird ein Kreiskolbenmotor beschrieben, bei dem sich der in einem Gehäuse drehende Rotor durch daran befestigte, drehbare Ventilkörper einen Verdichtungs- bzw. Verbrennungsraum abtrennt.
Ein anderer Kreiskolbenmotor ist in DE 3226396 A1 gezeigt. Hier bewegen sich in einem zylindrischen Arbeitsraum die paarweise auf zwei unterschiedlich rotierenden Wellen befestigten Kolben. Neben dem apparativen Aufwand ist jeweils eine ungleichmäßige Rotation notwendig, die einen gleichmäßigen Lauf des Motors erschwert, zu Unwuchten führt und hohe Beschleunigungen bzw. Bremskräfte erfordert.
Ein ähnlicher Rotationskolbenmotor wird auch in 4208747 A1 beschrieben.
Die DE 10333955 A1 beschreibt einen Kreiskolbenmotor mit Stator und Rotor auf einem einfachen Prinzip basierend und mit wenigen Einzelteilen. Allerdings arbeitet dieser Motor nicht ohne externe Vorverdichtung. Die Funktionsweise ist nicht schlüssig bzw. die Erfindung nicht vollständig offenbart.
Die DE 19535860 A1 offenbart einen Kreiskolbenmotor für Wasserstoff als Brenngas. Dabei sind an einem Rotor fünf federnd befestigte Dichtklappen angeordnet, die zum Stator hin abdichten und durch Nocken in bestimmten Positionen in den Rotor hineingedrückt werden.
Dieser Rotationskolbenmotor, seine Funktionsfähigkeit unterstellt, basiert auf Selbstzündung von Knallgas und ist für andere Brennstoffe nicht nutzbar. Darüber hinaus ist kein hoher Wirkungsgrad zu erwarten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine zu schaffen, die die Nachteile von Hubkolbenmaschinen und bisher bekannten Rotationskolbenmaschinen eliminiert und die Vorteile beider Systeme in sich vereinigt.
Die neue Kraft- und Arbeitsmaschine soll leistungsbezogen eine geringe spezifische Masse aufweisen, aus den wenigen Komponenten einfach aufgebaut sein und keine oszillierenden Teile, erfordern.
Ebenso soll der Grundaufbau es ermöglichen, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben als Verbrennungskraftmaschine, Wärmekraftmaschine, Verdichter, Pumpe, Druckgasmotor etc. ausführbar ist.
Die erfindungsgemäße Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben ist in Anspruch 1 offenbart. Sie ist aus einem oder mehreren Kolben, die mit einer rotierenden Welle verbunden sind, aufgebaut. Die Rotationskolben rotieren in einem ringförmigen Hohlraum zwischen Welle und Gehäuse. Im ringförmigen Hohlraum ist ein Trennelement angeordnet, das aus dem Hohlraum bewegt wird, wenn der Kolben die Position des Trennelementes passiert. Alternativ kann der Rotationskolben so beschaffen sein, dass er dem Trennelement ausweicht.
In Drehrichtung vor dem Trennelement ist ein Auslass für die Gase im Hohlraum angeordnet. In Drehrichtung nach dem Trennelement befindet sich der Einlass für das Arbeitsmedium bzw. das Verbrennungsgasgemisch. Die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben zeichnet sich dadurch aus, dass sie aus wenigen Einzelteilen besteht, sowohl als Verdichter/Pumpe als auch als Kraftmaschine, insbesondere auch als Verbrennungskraftmaschine, ausgeführt und betrieben werden kann.
Sie weist leistungsbezogen nur ein geringes Leistungsgewicht auf.
Die Drehrichtung ist variabel und kann einfach durch Wechsel von Einlass und Auslass realisiert werden. In der Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben sind sowohl die Vorteile von Hubkolbenmotoren als auch von bekannten Rotationskolbenmotoren vereinigt und die jeweiligen Nachteile eliminiert. Die Maschine ist vielseitig und flexibel einsetzbar. Unterschiedliche Leistungsgrößen der Maschine sind durch den modularen Aufbau kostengünstig realisierbar.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bei der Weiterbildung nach Anspruch 2 ist der Querschnitt des Hohlraums kreisförmig ausgebildet. Damit ist ein günstiges Volumen-Oberflächen-Verhältnis des Brennraums realisiert. Dies führt zu geringeren Wärmeverlusten und einem guten Verbrennungsverlauf und bewirkt damit einen hohen Wirkungsgrad. Der Kolben kann mit Kolbenringen auf bewährte Weise zum Gehäuse hin abgedichtet werden. Somit werden die wesentlichen Vorteile des Hubkolbenmotors in den Rotationskolbenmotor integriert und zugleich dessen Nachteile eliminiert. Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 3 erfolgt die Zufuhr des Arbeitsmediums, z. B. Luft oder Luft-Brennstoff-Gemisch, und das Ausströmen des Gases, nachdem es seine Arbeit verrichtet hat, aus dem Motor über entsprechend vorgesehene Einlässe bzw. Auslässe, die durch Ventile oder Klappen gesteuert werden. Damit ist eine Motorsteuerung und somit die Realisierung der Taktabfolge möglich.
Die Weiterbildung nach Anspruch 4 sieht vor, dass das Trennelement in Führungsnuten führbar ist und somit über die notwendige Beweglichkeit verfügt, um aus dem Hohlraum verschoben zu werden, wenn der Rotationskolben die Position des Trennelementes passiert. Die Führungsnuten können radial oder axial angeordnet sein.
Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 5 erfolgt die Steuerung der Bewegung des Trennelementes durch einen auf der Welle angebrachten Nocken bzw. ein mit der Welle verbundenes Kurbel-Pleuel-Getriebe. So ist auf einfache Weise sichergestellt, dass sich das Trennelement aus dem Hohlraum bewegt, sobald der Kolben diesen Bereich passiert.
Nach Anspruch 6 befindet sich zwischen Rotationskolben und Welle eine Nabe. Durch die Größe der Nabe kann die konstruktive Gestaltung des Motors variiert werden. Außerdem besteht durch in der Nabe angeordnete Führungsnuten die Möglichkeit, das statt des Trennelementes der Rotationskolben beim Passieren der Position des Trennelementes ausweicht.
Nach Anspruch 7 sind Trennelemente, vorzugsweise vier, auf einem Flügelrad zusammengefaßt. Bei jeder Passage des Rotationskolbens dreht sich das mit der Welle verbundene Flügelrad um 90° weiter, so das anschließend das nächste Trennelement den Hohlraum trennt. Auf diese Weise ist es möglich, dass während der Passage des Rotationskolbens der Hohlraum nur sehr kurze Zeit geöffnet ist.
Die Weiterbildung nach Anspruch 8 beschreibt eine vorteilhafte Realisierung der Trennelemente. Das Trennelement kann als rotierende Scheibe oder als rotierender Zylinderring ausgeführt sein, wobei der Durchlass des Rotationskolbens jeweils durch eine in der Scheibe/Zylinderring eingebrachte Aussparung ermöglicht wird. Durch ein Getriebe verbunden, dreht sich Scheibe/Zylinderring synchron mit der Welle und somit zugleich dem Rotationskolben. Die Aussparung in der Scheibe/Zylinderring ist so angeordnet, dass sie sich im Hohlraum befindet, sobald der Rotationskolben sich in den Bereich des Trennelementes bewegt und damit den Durchlass des Rotationskolbens ermöglicht. Danach verschließen Scheibe/Zylinderring den Hohlraum wieder. Damit ist eine einfache und zuverlässige Ausführung des Trennelementes realisiert, die zugleich die Steuerung desselben integriert.
Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 9 ist die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben als Pumpe, Verdichter oder als Wärmekraftmaschine, wie z. B. als Dampfmotor, ausführbar. Durch den einfachen und universellen Aufbau der Maschine ist es möglich, diese prinzipiell für verschiedene Nutzungen zu realisieren. Bei Pumpe und Verdichter wird die Welle angetrieben und der Rotationskolben verrichtet Arbeit, um das Arbeitsmedium zu transportieren bzw. zu verdichten. In Umkehrung dieses Prinzips wird das komprimierte Arbeitsmedium im Motor entspannt und verrichtet damit Arbeit am Kolben, die an der Welle zum Antrieb von Arbeitsmaschinen zur Verfügung steht.
Die Weiterbildung nach Anspruch 10 sieht vor, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben als Verbrennungskraftmaschine ausgeführt ist. Damit ist es möglich, dass die Maschine nach dem Prinzip eines 2-Takt oder 4-Takt-Ottomotors bzw. Dieselmotors betrieben wird. Entsprechend wird die Maschine gesteuert und ist zusätzlich mit Zündkerzen bzw. Glühkerzen und Einspritzdüsen ausgerüstet.
Die Weiterbildung nach Anspruch 11 sieht im Bereich des Trennelementes die Anordnung eines Verbrennungsraums vor, der durch Zuström- und Abströmkanäle – mit Klappen bzw. Ventilen gesteuert – mit dem Hohlraum verbunden bzw. von diesem getrennt ist. Auf diese Weise wird die Kraft- und Arbeitsmaschine als Verbrennungskraftmaschine vorteilhaft realisierbar.
Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 12 sind im Verbrennungsraum Zündkerzen bzw. Glühkerzen und/oder Einspritzdüsen angeordnet, die zur Realisierung als Verbrennungskraftmaschinen zweckmäßig sind. Damit können Verbrennungskraftmaschinen nach dem Otto- bzw. Dieselprinzip realisiert werden.
Durch Anordnung einer Wassereinspritzdüse, die gemäß Weiterbildung nach Anspruch 13 Wasser in den Hohlraum einspritzt ist es zusätzlich möglich, nach oder kurz vor Ende des Verbrennungsvorganges Wasser in das heiße Gas einzuspritzen. Durch Verdampfung des Wassers wird ein zusätzlicher Druck aufgebaut. Dieser Druck kann in zusätzliche an der Welle abnehmbare Arbeit umgewandelt werden und erhöht damit den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors.
Die Weiterbildung nach Anspruch 14 realisiert eine Verbrennungskraftmaschine auf die Weise, dass die eigentliche Verbrennungskraftmaschine mit einer als Verdichter realisierten Arbeitsmaschine mit Rotationskolben verbunden ist. Im Verdichter werden die Takte des Ansaugens und Verdichtens realisiert und das verdichtete Medium in den Verbrennungsraum geführt. Der Arbeitstakt und der Ausstoß der Verbrennungsgase erfolgt dann anschließend im als Verbrennungskraftmaschine ausgeführten Modul. Auf diese Weise ergeben sich Vorteile für den Verbrennungsverlauf. Auch wird die Erhöhung der Drehzahl des Motors möglich, da jetzt je Umdrehung ein Arbeitstakt realisiert wird. Zugleich wird die Temperaturverteilung im Motor verbessert. Die Weiterbildung nach Anspruch 15 sieht vor, dass die Verbrennungskraftmaschinen mit zwei Verbrennungsräumen kombiniert ist und zwei Rotationskolben mit der Welle verbunden sind. Durch entsprechende Anordnung der Zuström- und Abströmkanäle wie Einlässe und Auslässe ist es somit möglich, in einem Teil des Motors mit einem Kolben das Ansaugen und Verdichten vorzunehmen und das verdichtete Brenngas in den Verbrennungsraum weiterzuleiten. Im anderen Teil kann mit dem anderen Kolben zugleich den Arbeitstakt und der Ausstoß der Brenngase realisiert werden. Auf diese Weise können alle 4-Takte zeitgleich realisiert werden. Damit lässt sich die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschinen bei zwei Arbeitstakten je Umdrehung weiter erhöhen.
Gemäß Ausgestaltung nach Anspruch 16 sind die Kraft- und Arbeitsmaschinen modular aufgebaut und können somit auf einer Welle angeordnet sein. Auf diese Weise wird es möglich, durch die Anzahl der Module unterschiedliche Leistungsgrößen zu realisieren. Ebenso ist es möglich, auf einer Welle zugleich den Verdichter und Verbrennungskraftmaschine gemäß Anspruch 13 zu realisieren. Mit Ausgestaltung nach Anspruch 17 weist der Hohlraum und damit der Rotationskolben einen halbkreisförmigen Querschnitt auf. Auf diese Weise ist eine andere vorteilhafte Kolbenform realisierbar.
Mit Weiterbildung nach Anspruch 18 sind die Kolben mit Kolbenringen versehen. Kolbenringe sind eine vorteilhafte und bewährte Möglichkeit, den Kolben gegen das Gehäuse abzudichten.
In einer weiteren Ausgestaltung sind nach Anspruch 19 Kanäle für Kühl- und Schmierflüssigkeit im Motor vorgesehen. Die Kanäle können sowohl im Gehäuse als auch im Kolben anordnet sein. Auf diese Weise ist eine gezielte Kühlung und eine umfassende Schmierung des Motors möglich. Die Weiterbildung nach Anspruch 20 ermöglicht durch die Anordnung von Rückschlagventilen vorteilhafte Ausführungen der Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben, wie z. B. als Pumpe oder Verdichter.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Darstellung des prinzipiellen Aufbaus der Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben – Schnittdarstellungen,
2 Schnittdarstellung mit verschiebbarem Rotationskolben quer zur Welle,
2.1 Schnittdarstellung mit verschiebbarem Rotationskolben längs zur Welle,
2–3 Schnittdarstellung der Ausführung mit Flügelrad,
3–4 Ausführung als Verbrennungsmotor mit Verbrennungsraum – Schnittdarstellung
4–5 Ausführung als Verbrennungsmotor mit Vorverdichter und zwei Verbrennungsräumen,
5–6 Ausführung als Verbrennungsmotor mit zwei Rotationskolben,
6–7 vereinfachte Detaildarstellung – Trennelement als Scheibe,
7–8 vereinfachte Detaildarstellung – Trennelement als Zylinderring,
8–9 Anordnung mit Solarkollektor und Druckspeicher und
9–10 Anordnung mit Staudrucktriebwerk.
In 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben gezeigt. Im Gehäuse 3 ist die Welle 2 drehbar gelagert. Der Rotationskolben 1 ist durch die Nabe 11 mit der Welle 2 verbunden und kann somit in dem durch das Gehäuse 3 umschlossenen ringförmigen Hohlraum 4 rotieren. Im oberen Bereich des Gehäuses 3 ist ein bewegliches Trennelement 5 angeordnet. Dieses Trennelement 5 ist in Führungsnuten 9 verschiebbar. Immer, wenn der Rotationskolben 1 in den Bereich des Trennelementes 5 gelangt, wird das Trennelement 5 aus dem ringförmigen Hohlraum 4 bewegt, so dass der Rotationskolben 1 den Bereich passieren kann. Danach wird das Trennelement 5 wieder in den Ringraum 4 verschoben. Die Steuerung der Bewegung des Trennelementes 5 erfolgt über die Welle 2, auf der dazu beispielsweise ein Nocken 10 anordnet ist. Das Medium gelangt durch einen mit einem Ventil 8 gesteuerten Einlass 6 in den Hohlraum 4. Durch den Auslass 7, der gleichfalls durch ein Ventil 8 gesteuert ist, tritt das Medium aus der Kraft- und Arbeitsmaschine aus. Die Steuerung der Ventile 8 von Einlass 6 und Auslass 7 erfolgt beispielsweise über den/die auf der Welle 2 angeordnete(n) Nocken 10. Der Rotationskolben 1 ist hier mit einem kreisförmigen Profil dargestellt. Ebenso sind andere Profile von Rotationskolben 1 und Hohlraum 4 möglich. Eine Möglichkeit der Abdichtung des Rotationskolbens 1 gegenüber dem Gehäuse/Stator 3 kann durch Kolbenringe 19 erfolgen.
Die in 1 dargestellte Kraft- und Arbeitsmaschine ist beispielsweise als Druckluftmotor einsetzbar. Die Druckluft tritt durch den Einlass 6 in den Hohlraum 4 ein. Aus der Druckdifferenz zwischen Einlass 6 und Auslass 7 resultiert, dass sich der Kolben 1 im Uhrzeigersinn bewegt. Der Auslass 7 ist geöffnet. Kurz bevor der Kolben 1 das Trennelement 5 erreicht, bewegt sich dieses in den Führungsnuten 9 nach oben, so dass der Rotationskolben 1 passieren kann. Während des Passierens des Kolbens 1 sind beide Ventile 8 geschlossen. Die vom Kolben 1 verrichtete Arbeit steht an der Welle 2 zur Verfügung und kann entsprechend zum Antrieb genutzt werden. Ebenso ist diese Anordnung geeignet, im Umkehrprinzip als Verdichter bzw. Pumpe zu arbeiten. Hierbei wird das Medium durch den Einlass 6 angesaugt. Dabei ist der Auslass 7 verschlossen. Nachdem der Kolben 1 das Trennelemente 5 passiert hat, ist der Einlass 6 verschlossen und der Auslass 7 geöffnet. Entsprechend wird das Medium transportiert bzw. verdichtet und verlässt durch den Auslass 7 das Gehäuse 3.
Die Verschiebung des Trennelement 5 kann auf verschiedene Weise erfolgen, um das Passieren des Rotationskolbens 1 zu ermöglichen. Das Trennelement 5 kann wie dargestellt, nach oben verschoben werden oder parallel zur Ausrichtung der Welle 2.
Der Rotationskolben 1 kann auch, wie in 2 dargestellt, in der Nabe 11 verschiebbar sein. Die Verschiebung kann dabei durch im Gehäuse 3 angeordnete Führungskanten 32 erfolgen. Oder, wie in 2.1 zu ersehen, sind im Gehäuse 3 rechts und links vom Rotationskolben 1 Führungsvertiefungen 33 vorgesehen, in denen seitlich am Rotationskolben 1 angeordnete Bolzen 34 geführt sind. In der Nabe 11 unter den Rotationskolben 1 sitzen Federn 35, die den Rotationskolben nach außen drücken.
Eine weitere Möglichkeit der Ausführung des Trennelementes 5 ist in 3 dargestellt. Dabei sind vier Trennelemente 5 zu einem Flügelrad zusammengefasst. Sobald der Kolben 1 das Flügelrad 12 erreicht, bewegt sich dieses entgegen dem Uhrzeigersinn weiter, so dass ein Trennelement 5 den Hohlraum 4 freigibt, der Rotationskolben 1 passieren kann und anschließend das folgende Trennelement 5 auf dem Flügelrad den ringförmigen Hohlraum 4 wieder schließt.
In 4 ist die erfindungsgemäße Kraft- und Arbeitsmaschine in einer vorteilhaft als Verbrennungsmotor geeigneten Ausführung gezeigt, der als Viertaktmotor ausgeführt ist. Dazu ist im Unterschied zu 1 zusätzlich im Bereich des Trennelementes 5 ein Verbrennungsraum 12 anordnet. Bei dieser Ausführung ist der Einlass 6 im Verbrennungsraum 12 angeordnet. Im ersten Takt wird die Verbrennungsluft durch den Einlass 6 in den ringförmigen Hohlraum 4 angesaugt. Dazu ist eine Umdrehung des Rotationskolbens 1 notwendig. Der Auslass 7 ist geschlossen. Nach dem Passieren des Trennelementes 5 erfolgt die Verdichtung der Verbrennungsluft. Dabei ist der Zuströmkanal 13 geöffnet, so dass die Verbrennungsluft in den Verbrennungsraum 12 hineingepresst wird. Dazu ist eine Umdrehung des Rotationskolbens 1 notwendig. Anschließend wird durch die Einspritzdüse 17 der Kraftstoff eingespritzt und bei Ottomotoren durch einen Zündfunken der Zündkerze 15 das Kraftstoff-Luft-Gemisch gezündet. Zugleich ist der Abströmkanal 14 geöffnet und der Zuströmkanal 13 geschlossen. Durch die Zündung baut sich ein erhöhter Druck auf, der den Rotationskolben 1 bewegt und somit ein Drehmoment an der Welle 2 zur Verfügung steht. Optional ist zusätzlich eine Wassereinspritzdüse 18 angeordnet, die Wasser in den Hohlraum 4 einspritzt, nachdem der Rotationskolben 1 die Position der Wassereinspritzdüse 18 passiert hat. Durch das eingespritzte Wasser, das anschließend verdampft, wird weiterer zusätzlicher Druck aufgebaut, der eine zusätzliche Kraft auf den Rotationskolben 1 nach sich zieht. Der Arbeitstakt währt eine Umdrehung des Rotationskolbens 1. Bei der nächsten Umdrehung des Rotationskolbens 1 werden die Verbrennungsgase durch den Auslass 7 aus dem Hohlraum 4 ausgestoßen. Durch ein mit der Welle 2 verbundenes Schwungrad, das nicht dargestellt ist, wird die Bewegung des Rotationskolbens über alle Takte hinweg gewährleistet. Durch Aneinanderreihung mehrerer soeben beschriebener Module ist es möglich, Motoren zu realisieren, die eine größere Leistung bei verbesserten Gleichlauf ermöglichen, wie das von Mehrzylindermotoren bekannt ist.
Eine andere Ausführung der Erfindung wird in 5 gezeigt. Hierbei werden zwei unterschiedliche Ausgestaltungen der Kraft- und Arbeitsmaschine miteinander kombiniert. Der in 1 dargestellte Verdichter V saugt die Verbrennungsluft an und gibt sie mit erhöhtem Druck in die gemäß 4 dargestellte Verbrennungskraftmaschine M in modifizierter Ausführung weiter. Die beiden erste Takte – Ansaugen und Verdichten – werden somit im Verdichter V realisiert. Der Auslass 7V des Verdichters V ist mit der Verbrennungskraftmaschine/Verbrennungsmotor M verbunden. Gegenüber der Ausführung in 4 ist hier die Verbrennungskraftmaschine mit zwei parallel angeordneten Verbrennungsräumen 12a, 12b versehen. Die verdichtete Verbrennungsluft wird zunächst durch den Einlaß 6a in den ersten Verbrennungsraum 12a gedrückt. Im Anschluß erfolgt die Einspritzung des Kraftstoffs durch die Einspritzdüse 17 und die Zündung durch die Zündkerze 15. Der Druck, der durch die Verbrennung aufgebaut wird, bewirkt die Bewegung des Rotationskolbens 1 im Uhrzeigersinn, so dass ein Drehmoment an der Welle 2 zur Verfügung steht.
Zugleich ist der Auslass 7 geöffnet, so dass der Rotationskolben 1 die Verbrennungsgase des vorangegangenen Arbeitstaktes aus dem Hohlraum 4 hinausdrückt. Der Rotationskolben 1 passiert das Trennelement 5. Jetzt ist der Zuströmkanal 13b zum Verbrennungsraum 12b geöffnet. Die vorangegangene Zündung des eingespritzten Kraftstoffs im anderen Verbrennungsraum 12a bewirkt eine Druckkraft auf den Rotationskolben 1. Zugleich schiebt der Kolben 1 die Verbrennungsgase des vorangegangen Arbeitstaktes wieder durch den Auslass 7 aus dem Hohlraum 4. Die im Verdichter V verdichtete Verbrennungsluft wird durch entsprechende Ventile 8 gesteuert und durch den Einlaß 6a bzw. 6b alternierend in die beiden Verbrennungsräume 12a, 12b gedrückt. Im Anschluss erfolgt jeweils die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung. Somit erfolgt während jeder Drehung des Rotationskolbens 1 des Verbrennungsmotors ein Arbeitstakt. Zugleich werden von der anderen Seite des Rotationskolbens 1 die Verbrennungsgase aus dem Hohlraum 4 hinausgedrückt. Das Verdichtungsmodul V ist mit dem Verbrennungsmotor M gekoppelt, um die Verdichtung mit einem Teil der vom Verbrennungsmotor abgegebenen Arbeit zu realisieren. Die einfachste Lösung besteht darin, dass Verdichtungsmodul V und Verbrennungsmotor M auf der selben Welle 2 angeordnet sind.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung wird in 6 gezeigt. Zwei um 180° versetzte Rotationskolben 1 sind mit der Welle 2 verbunden. Im ringförmigen Hohlraum 4 sind zwei sich gegenüberliegende Trennelemente 5 angeordnet. Der Einlass 6 und der Auslass 7 befinden sich im unteren Bereich des Gehäuses 3. Im oberen Bereich sind, wie schon im vorherigen Beispiel, zwei Verbrennungsräume 12a, 12b parallel zueinander angeordnet. Einlass 6 und Auslass 7 werden, ebenso wie Zuströmkanal 13a, 13b und Abströmkanal 14a, 14b mit Ventilen 8 bzw. Klappen gesteuert. Der ringförmige Hohlraum 4 ist hier entsprechend der Taktfolge eines 4-Takt Motors mit den Bezugszeichen mit 4.1, 4.2, 4.3, 4.4 bezeichnet. Alle vier Takte laufen gleichzeitig ab. Der Arbeitstakt und die Schwungmasse sorgen dafür, dass die Welle 2 mit den Rotationskolben 1 bewegt wird.
Der jeweils linke Kolben 1 saugt auf seiner Rückseite aus dem Einlass 6 die Verbrennungsluft an. Auf seiner Vorderseite verdichtet er die vorher angesaugte Verbrennungsluft durch den Zuströmkanal 13a in den Verbrennungsraum 12a. Dabei ist der Abströmkanal 14a geschlossen. Nachdem der Rotationskolben 1 den Zuströmkanal 13a passiert hat, schließt dieser, der Kraftstoff wird durch die Einspritzdüse 17 in den Verbrennungsraum 12a eingespritzt und gegebenenfalls mit Unterstützung der Zündkerze 17 gezündet. Nachdem der Kolben 1 das obere Trennelement 5, welches sofort wieder nach der Passage des Kolbens 1 in den Hohlraum 4 zurückgeführt wird, und den Abströmkanal 14a passiert hat, öffnet dieser, so dass der aus Verbrennung resultierende Überdruck auf die Rückseite des Kolbens 1 drückt und dabei Arbeit verrichtet. Zugleich werden auf der Vorderseite des Kolbens 1 die Verbrennungsgase des vorangegangenen Arbeitstaktes durch den Auslass 7 aus dem Motor hinaus gedrückt. Der gegenüberliegende Kolben 1 verrichtet gleichzeitig den ersten Takt (Ansaugen) und den zweiten Takt (Verdichten). Nach dem Passieren des unteren Trennelementes 5 wird wieder Verbrennungsluft durch den Einlass 6 angesaugt.
7 zeigt die Detaildarstellung eines Trennelementes 5, dass als rotierende Scheibe 5 ausgeführt ist. In die Scheibe 5 ist eine Aussparung 5.1 eingebracht, die durch die Syncronisation mit der Welle 2 immer dann den ringförmigen Hohlraum 4 freigibt, wenn der Rotationskolben 1 den Bereich des Trennelementes 5 passiert. Damit ist es ermöglicht, dass der Rotationskolben 1 ungehindert im Hohlraum 4 rotieren kann.
In 8 ist ein zylinderringförmiges Trennelement 5 mit Aussparung 5.1 dargestellt. Ebenso wie das Trennelement 5 in 7 ist die Drehung des Zylinderrings 5 zum selben Zweck mit der Drehung der Welle 2 synchronisiert.
In einer anderen in 9 gezeigten Ausführung der Erfindung arbeitet die erfindungsgemäße Kraft- und Arbeitsmaschine mit einem Solarkollektorfeld 20 und ggf. einem Druckspeicher 21 zusammen. Der zu speichernde Druck wird beispielsweise durch ein Solarkollektorfeld 20 bereitgestellt, indem eine Flüssigkeit, z. B. Wasser, dort verdampft wird. Der Überdruck, der aus der Erwärmung des Mediums in den Kollektoren 20 resultiert, kann direkt auf die als Druckluftmotor 22 ausgeführte Kraft- und Arbeitsmaschine geführt werden. Mit einem an die Welle 2 gekoppelten Generator 23 kann so direkt elektrische Energie bereitgestellt werden. Um die Energie zu speichern, wird der Druckluftmotor 22 mit einer als Verdichter 24 ausgeführten erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine gekoppelt. Der Verdichter 24 verdichtet beispielsweise Luft in einen Druckspeicher 21. Wird Energie benötigt, so wird dem Druckspeicher 21 Druckluft entnommen, die in einer als Druckluftmotor 22 ausgeführten erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine in Rotationsenergie umgewandelt wird. Mit einem über die Welle 2 gekoppelten Generator 24 kann somit Elektroenergie bereitgestellt werden. Die Flüssigkeit, die im Solarkollektorfeld 20 verdampft, wird bevorzugt in einem geschlossenen Kreislauf geführt. Durch einen, dem Druckluftmotor 22 nachgeschalteten Kondensator 25 kann die Druckdifferenz für den Druckluftmotor 22 erhöht werden. Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad des Motors und damit des Systems weiter verbessert. Aus einem dem Kondensator 25 nachgeschalteten oder in diesen integrierten Vorratsbehälter 26 wird die Flüssigkeit wieder dem Solarkollektorfeld 20 zugeführt.
Durch das vorteilhafte Leistungsgewicht der Kraft- und Arbeitsmaschine kann diese als Verbrennungsmotor zum Einsatz kommen, für die bekannte Verbrennungsmotoren nicht geeignet sind. Ein solcher Einsatzfall wäre beispielsweise ein um das Hubschrauberprinzip ergänztes Straßenfahrzeug. Dabei sind ein oder mehrere mit dem Verbrennungsmotor verbundene Propeller schwenkbar angebracht und sorgen beim Senkrechtstart für einen vertikalen Auftrieb. In der Luft befindlich werden die Propeller in die horizontale Ebene oder einen Winkel dazwischen gedreht, so dass sich das Fahrzeug wie ein Flugzeug bewegt. Im Straßenverkehr können die Tragflächen platzsparend eingeklappt werden. Beim Senkrechtstart sind die Tragflächen ausgeklappt und senkrecht ausgerichtet und beim Fliegen in die Horizontale bzw. geeignete Zwischenwinkel gedreht.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine kann in Kombination mit einem Staudrucktriebwerk erfolgen. Eine Prinzipdarstellung dazu zeigt 10.
Dieses Staudrucktriebwerk 27 basiert darauf, dass dem Triebwerk 27 Luft eines großen Volumenstroms zugeführt wird. Dieser große Luftvolumenstrom resultiert aus dem Staudruck, der bei hoher Geschwindigkeit vor dem Triebwerk 27 auftritt. Mit der als Verdichter 24 ausgeführten, erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine ist es möglich, über eine Lufteintrittsöffnung 28 eine große Luftmenge in das Staudrucktriebwerk einzublasen. Die Luftmenge, die ansonsten die Leistung des Triebwerks 27 begrenzt, kann somit erhöht werden und damit zugleich die Leistung, respektive die Geschwindigkeit. Durch das Einblasen des Luftstroms entsteht zusätzlich ein Sog, der dazu führt, dass atmosphärische Luft in größerem Umfang durch die Staudrucköffnung 29 in das Triebwerk 27 einströmt. Dies führt zu einer weiteren Leistungssteigerung und damit der Möglichkeit, die Fluggeschwindigkeit weiter zu erhöhen. Der Verdichter 24 bzw. mehrere Verdichterstufen können mit einer als Verbrennungsmotor 30 ausgeführten erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine angetrieben werden. In einer Ausführung des Staudrucktriebwerkes 27 ist es möglich, den Kraftstoff mit der Verbrennungsluft gemischt in den Verbrennungsraum einzublasen. Dazu ist beispielsweise eine Mischdüse wie in DE 100 33274 C2 verwendbar. Ebenso ist es möglich, das Staudrucktriebwerk mit einer Querschnitterweiterung zur Staudrucköffnung 28 bzw. unmittelbar vor den Treibstoffdüsen 31 zum Verbrennungsgasaustritt hin auszuführen. Damit können die Strömungsbedingungen optimiert und demzufolge der Rückstoß maximiert werden. Die Anordnung ist auch als Raketentriebwerk verwendbar. In diesem Fall ist die Staudrucköffnung 29 verschlossen und die Verbrennungsluft/Sauerstoff wird ausschließlich über die Lufteintrittsöffnung 28 zugeführt.

1: Rotationskolben, Kolben
2: Welle
3: Gehäuse, Stator
4: ringförmiger Hohlraum, Ringraum (4.1–4.4)
5: Trennelement, rotierende Scheibe/Zylinderring
5.1: Aussparung
6: Einlassöffnung, Einlass
6V: Einlass Verdichter
6A: Einlass Verbrennungsraum A
6B: Einlass Verbrennungsraum B
7: Auslassöffnung, Auslass
7V: Auslass Verdichter
7M: Auslass Verbrennungskraftmaschine
8: Ventile, Klappen
9: Führungsnuten
10: Nocken
11: Nabe
12: Verbrennungsraum
13: Zuströmkanal
14: Abströmkanal
15: Zündkerzen
16: Glühkerzen
17: Einspritzdüsen
18: Wassereinspritzdüse
19: Kolbenringe, Dichtelemente
20: Solarkollektorfeld
21: Druckspeicher
22: Druckluftmotor
23: Generator
24: Verdichter
25: Kondensator
26: Vorratsbehälter
27: Staudrucktriebwerk, Triebwerk
28: Lufteintrittsöffnung
29: Staudrucköffnung
30: Verbrennungsmotor
31: Treibstoffdüsen
32: Führungskante
33: Führungsvertiefung
34: Bolzen
35: Feder
V: Verdichter, Verdichtungsmodul
M: Verbrennungskraftmaschine, Verbrennungsmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3140763 A1 [0012]
- DE 3226396 A1 [0013]
- DE 10333955 A1 [0015]
- DE 19535860 A1 [0016]
- DE 10033274 C2 [0068]

Claims

Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotationskolben (1) mit einer Welle (2) verbunden ist und auf einer Kreisbahn in einem zwischen einem Gehäuse/Stator (3) und der Welle (2) eingeschlossenen ringförmigen Hohlraum (4) beweglich ist und ein verschiebbares Trennelement (5) in dem Hohlraum (4) angeordnet ist und sich das Trennelement (5) aus dem Hohlraum (4) bewegt, wenn der Rotationskolben (1) den Bereich des Trennelementes (5) passiert und in Drehrichtung nach dem Trennelement (5) eine Einlassöffnung (6) und vor dem Trennelement (5) eine Auslaßöffnung (7) für das Arbeitsmedium im Hohlraum (4) angeordnet ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Hohlraums (4) und des Kolbens (1) kreisförmig ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnen und Schließen des Einlasses (6) und des Auslasses (7) durch entsprechende angesteuerte Ventile (8) oder Klappen erfolgt.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5) durch im Gehäuse (3) axial bzw. radial angeordnete Führungsnuten (9) verschiebbar ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Trennelementes (5) durch einen auf der Welle (2) angeordneten Nocken (10) oder ein Pleuel-Kurbel-Getriebe erfolgt.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Welle (2) und Rotationskolben (1) eine Nabe (11) angeordnet ist und in der Nabe (11) der Rotationskolben (1) verschiebbar ist, wobei die Führung der Verschiebung durch im Gehäuse (3) angeordnete Führungskanten (32) oder durch eine im Gehäuse (3) vorgesehene Führungsvertiefung (33) in der seitlich am Rotationskolben (1) angeordnete Bolzen (34) geführt sind und in der Nabe (11) angeordnete Federn (35) erfolgt.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Trennelemente (5), vorzugsweise vier Trennelemente (5), in einer Kammer drehbar gelagert und zu einem von der Welle (2) gesteuerten Flügelrad zusammengefasst sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennelement (5) als rotierende Scheibe (5) oder Zylinderring (5) ausgeführt ist und der Durchlass des Rotationskolbens (1) durch in die Scheibe (5) bzw. den Zylinderring (5) eingebrachte Aussparungen (5.1) ermöglicht ist und Scheibe (5) bzw. Zylinderring (5) durch ein Getriebe synchron mit der Welle (2) rotieren.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine als Pumpe, Verdichter oder Wärmekraftmaschine/Dampfmotor ausgebildet ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine als Verbrennungskraftmaschine ausgebildet ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Trennelementes (5), ein Verbrennungsraum (12) angeordnet ist, der durch jeweils einen, mit Ventilen/Klappen (8) steuerbaren Zuströmkanal (13) und Abströmkanal (14) mit dem Hohlraum (4) verbunden ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Verbrennungsraum (12) Zündkerzen (15), Glühkerzen (16), Einspritzdüsen (17) und alternativ der Einlass (6) angeordnet sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Hohlraum (4) eine Wassereinspritzdüse (18) angeordnet ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine erfindungsgemäße Kraft- und Arbeitsmaschine als Verdichter (V) mit einer erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben als Verbrennungskraftmaschine (M) so kombiniert ist, dass die Verbrennungskraftmaschine (M) mit zwei Verbrennungsräumen (12) versehen ist und der Auslass (6V) des Verdichters jeweils mit den durch Ventile (8) gesteuerten Zuströmkanälen (13a, 13b) der Verbrennungsräume (12a, 12b) verbunden ist.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüberliegende Rotationskolben (1) mit der Welle (2) verbunden sind, dass zwei Trennelemente (5) gegenüberliegend im Hohlraum (4) sowie jeweils ein weiterer Einlass (6) und Auslass (7) beiderseits des zusätzlichen Trennelementes (5) angeordnet sind und dass zwei Verbrennungsräume (12a, 12b) mit dem Hohlraum (3) durch mit Ventilen (8) gesteuerte Zuströmkanäle (13a, 13b) und Abströmkanäle (14a, 14b) verbunden sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben modular aufgebaut ist und mehrere Module auf einer Welle (2) angeordnet sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolben (1) einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolben (1) mit Kolbenringen (19) oder anderen Dichtelementen versehen sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationskolben (1) mit Kanälen für Schmierung und Kühlflüssigkeit versehen sind.
Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben nach Anspruch 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in den Rotationskolben (1), Einlässen (5), Auslässen (6), Zuströmkanälen (13) und Abströmkanälen (14) Rückschlagventile angeordnet sind.