DE29513194U1

DE29513194U1 - Rotationskolben-Verbrennungsmotor

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Publication number: DE29513194U1
Application number: DE29513194U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-08-17
Filing date: 1995-08-17
Publication date: 1995-11-23
Anticipated expiration: 2005-08-18

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Schutzanspruchs 1.

Bei einem aus der EP 0 651 13 6 Al bekannten Rotationskolben-Verbrennungsmotor dieser Art ist der mit dem Rotor verbundene Kolben um eine zur Rotorachse parallele Drehachse schwenkbar im Rotor gelagert, um entweder in aus dem Rotor unter Federwirkung herausgeschwenktem Zustand die Arbeitskammer des Motors entsprechend dem jeweiligen Arbeitstakt abzusperren und als Kolben zu wirken oder den Kolben mit Hilfe der Absperrorgane in den Rotor zurückzuschwenken und so zwischen den Absperrorganen für den Verbrennungstakt einen Teilarbeitsraum in der Arbeitskammer zu schaffen.

Der Herstellungs- und Steuerungsaufwand für derartige Rotationskolben-Verbrennungsmotoren ist jedoch relativ hoch. Zudem kann der volle Verbrennungsdruck erst auf den Kolben wirken, wenn dieser sich weit in der Expansionsphase befindet. Die während des Verbrennungstaktes zur Verfugung gestellte Energie kann dadurch nicht vollständig genutzt werden. Schließlich ist die Energieausnutzung bei dem zuvor beschriebenen Rotationskolben-Verbrennungsmotor auch aufgrund von Wärmeverlusten und verschleppter Verbrennung noch verbesserungsfähig. Dadurch ist zusätzlich mit nicht 0 optimaler Schadstoffemission zu rechnen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei weiter vermindertem Konstruktionsaufwand einen Rotationskolben-Verbrennungsmotor mit noch weiter verbessertem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Rotationskolben-

• · · &igr;

Verbrennungsmotor gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 dadurch gelöst, daß ein im Längsschnitt im wesentlichen sichelförmiger Kolben mit in Drehrichtung zur Mantelfläche des Rotors spitzwinklig auslaufendem Ende starr mit dem Rotor verbunden und der Bereich zwischen den beiden als Schieber ausgeführten Absperrorganen, in dem beim Durchlaufen des Kolbens der Verbrennungsraum gebildet ist, auf der Seite des Zylindermantels und/oder der Seitenwände des Motorgehäuses erweitert ist.
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Die unbewegliche Verbindung des - abgesehen von der Verbrennungskammer - in der Arbeitskammer allseitig dichtend geführten Kolbens hat gegenüber dem geschilderten Stand der Technik eine konstruktive Vereinfachung des Motoraufbaus und eine Verminderung des Steueraufwandes für die Schieber, deren Bewegung zum großen Teil selbsttätig durch die Kolbenbewegung oder durch Federwirkung gesteuert wird, zur Folge. Die starre Anordnung des Kolbens ist in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Erweiterung des Bereichs zwischen den beiden Schiebern, in dem sich die Zündvorrichtung des Verbrennungsmotors befindet, möglich. Durch diese Erweiterung kann, nachdem der erste Schieber den Verbrennungsraum nach hinten abgesperrt hat, das komprimierte Frischgas über den verbleibenden Spalt zwischen der Dichtleiste des Kolbens und den nach oben und/oder seitlich nach außen versetzten Gehäuseteilen unter kräftiger Verwirbelung in die Verbrennungskammer strömen, und nach erfolgter Zündung steht der Druck der Verbrennungsgase bereits in dieser frühen Phase, das heißt spätestens wenn 0 die Dichtleiste des Kolbens den nicht erweiterten Arbeitskammerbereich erreicht, zur vollen Einwirkung auf den Kolben zur Verfugung. Die durch die Gasverwirbelung verbesserte Verbrennung und die frühzeitige Einwirkung des Drucks der Verbrennungsgase auf die rückseitige Kolbenfläche tragen wesentlich zur Erhöhung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäß ausgebildeten Rotationskolben-Verbrennungsmotors bei.

Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung ist die in Rotordrehrichtung rückseitige Kolbenfläche, die die Angriffsfläche für die Verbrennungsgase bildet, konkav gewölbt. Die zum zweiten Schieber weisende Seite des ersten Schiebers weist vorteilhaft im Bereich der Arbeitskammer des Verbrennungsmotors ebenfalls eine konkave Ausrundung aus. Dadurch wird die Brennstoffverwirbelung und -Vermischung in der Verbrennungskammer zum Zwecke der Erzielung eines hohen Verbrennungswirkungsgrades weiter erhöht.

Nach einem weiteren bevorzugten Merkmal der Erfindung hat die Arbeitskammer eine Querschnittsform mit gerundeten Eckbereichen bzw. bogenförmig verlaufenden Seitenwänden. Zu diesem Zweck sind in den Zylindermantel des Rotors einschließlich der bogenförmigen Auflauffläche des Kolbens sowie in die Innenseite des Zylindermantels des Motorgehäuses trogartige Vertiefungen mit gerundeten Eckbereichen eingearbeitet. Diese Vertiefungen können im Querschnitt jeweils auch die Form eines Halbkreises oder eines halben Ovals haben. Durch diese im wesentlichen runde Querschnittsform der Arbeitskammer und in Verbindung mit den zuvor beschriebenen Ausrundungen am ersten Schieber und an der hinteren Kolbenfläche wird, ohne die Verbrennung in Eckbereichen zu verschleppen, eine weitestgehend vollständige Verbrennung, das heißt eine Verbrennung mit hohem Wirkungsgrad und geringer Schadstoffemission, erreicht.

In den Unteransprüchen sind weitere bevorzugte Merkmale und 0 vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines

Rotationskolben-Verbrennungsmotors gemäß der vorliegenden Erfindung während des

Verdichtungstaktes;

Fig. 2 den Rotationskolben-Verbrennungsmotor im Endstadium der Verdichtung mit einem durch die beiden Schieber sowie das Motorgehäuse und die

Auflauffläche des Kolbens geschaffenen Raum hochverdichteten Frischgases {Explosionsraum);

Fig. 3 den erfindungsgemäßen Rotationskolben-Verbrennungsmotor zum Zeitpunkt der Bildung eines

Verbrennungsraums und der Zündung des hochkomprimierten Frischgases;

Fig. 4 den Rotationskolben-Verbrennungsmotor während der Ausführung seines Arbeitshubes durch die

expandierenden Verbrennungsgase (Expansionstakt);

Fig. 5 eine Teilansicht des Motorgehäuses im Schnitt; 20

Fig. 6 eine Ansicht eines zur Abdichtung zwischen den Seitenwänden des Motorgehäuses und des Rotors vorgesehenen Dichtringes;

Fig. 7 eine Seitenansicht (in bezug auf die Ansicht in

Fig. 1-4) des ersten bzw. zweiten Schiebers;

Fig. 8 eine Vorderansicht (in bezug auf die Ansicht in

Fig. 1-4) des Kolbens;
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Fig. 9 eine Seitenansicht des Rotors mit an dessen

oberem Rand befindlichem Kolben mit Dichtleiste;

und

Fig. 10 eine Ansicht der Dichtleiste des Kolbens.

Der in den Figuren 1 bis 4 dargestellte Rotationskolben-

• ·

Verbrennungsmotor besteht im wesentlichen aus einem sich im Uhrzeigersinn drehenden Rotor 1 mit an diesem unbeweglich befestigten Kolben 9 sowie einem den Rotor samt Kolben aufnehmendem Motorgehäuse 2 mit einem ersten Gehäuseteil 4a zur Führung eines ersten Schiebers 4 und einem zweiten Gehäuseteil 7a zur Führung eines zweiten Schiebers 7 sowie einer in dem Bereich zwischen den beiden Schiebern 4, 7 angeordneten Zündvorrichtung 5. Der Gehäusedeckel 2b des Motorgehäuses 2 ist im Bereich zwischen den beiden Schiebern 4, 7 gegenüber den übrigen Deckelteilen erhöht angeordnet, um die Arbeitskammer in diesem Abschnitt nach oben zu erweitern. Etwa auf der der Zündvorrichtung gegenüberliegenden Seite des Motorgehäuses 2 sind eine durch eine blattfederartige Verschlußklappe 21 in Offenstellung gehaltene Auslaßöffnung 20 für das Ausschieben der Verbrennungsgase sowie eine Einlaßöffnung 22 für die Befüllung der Arbeitskammer mit einem Frischgas bzw. einem Gas-Luft-Gemisch vorgesehen. Eine mit dem Rotor 1 einstückig verbundene Motorwelle 12 durchgreift in den Seitenwänden des Motorgehäuses 2 vorhandene Öffnungen 2a.

Der Kolben 9 ist starr mit dem Rotor 1 verbunden. Er weist im Längsschnitt eine sichelartige Form auf. Die zum Gehäusedeckel weisende gewölbte obere Seite des Kolbens 9 läuft als Auflauffläche zum Rotor hin in dessen Drehrichtung allmählich spitzwinklig aus, während die rückwärtige Kolbenfläche 13 in einer konkaven Wölbung steil zur Zylindermantelfläche des Rotors 1 hin abfällt. In diesem hinteren Bereich des Kolbens befindet sich eine Nut 10 zur 0 Aufnahme einer Dichtleiste 11. Über diese Dichtleiste steht der Kolben 9 in gleitender, abdichtender Verbindung mit den seitlich und oberhalb gegenüberliegenden Innenflächen des Motorgehäuses 2, ausgenommen der Abschnitt zwischen den beiden Schiebern 4 und 7, der in radialer Richtung nach oben und seitlich nach außen geringfügig erweitert ist.

In die Zylindermantelfläche des Rotors 1 und die

sichelförmig gewölbte Auflauffläche des Kolbens 9 ist, wie insbesondere aus Fig. 9 ersichtlich ist, eine trogartige Vertiefung 25 (entsprechend der strichlierten Linie in den Figuren 1 bis 4) mit gerundeten Eckbereichen {oder auch mit insgesamt gerundeten Innenwänden, beispielsweise als halbes Oval oder halbkreisförmig) eingeformt. In gleicher Weise trogartig, aber spiegelbildlich zu der Ausnehmung im Rotorzylindermantel, ist die Innenseite des Gehäusedeckels 2b mit einer trogartigen Vertiefung 25a ausgeführt, so daß die Arbeitskammer im Querschnitt gerundet ausgebildet ist und keine einer vollständigen Verbrennung entgegenstehenden ausgeprägten Eckbereiche aufweist.

Die Schieber 4 und 7 sind mit Federn 3 bzw. 6 verbunden, unter deren Wirkung sie bei bestimmten Arbeitstakten des Rotationskolben-Verbrennungsmotors abdichtend gegen die Zylindermantelfläche des Rotors 1 bzw. die Auflauffläche des Kolbens 9 gedrückt werden. Wie Fig. 7 zeigt, sind die Schieber 4, 7 entsprechend dem Querschnitt der Vertiefung 25 geformt, beispielsweise mit Rundungen 24 versehen, um so eine Abdichtung der entsprechend den Arbeitstakten des Rotationskolben-Verbrennungsmotors erzeugten Einzelräume der Arbeitskammer erreichen zu können.

Der Abstand zwischen dem ersten Schieber 4 und dem zweiten Schieber 7 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, geringer als die Länge des sichelförmigen Kolbens 9. In den ersten Schieber 4 ist an dessen zum zweiten Schieber 7 weisender Seite eine Ausrundung 5 eingeformt. Die Steuerung der 0 Schieberbewegung für die verschiedenen Arbeitstakte des Rotationskolben-Verbrennungsmotors erfolgt zum einen unter der Wirkung der Federn 3, 6 und der Auf lauf fläche des Kolbens 9 beim Durchlaufen des Schieberbereichs und zum anderen mit einer herkömmlichen, hier nicht dargestellten Steuereinrichtung, beispielsweise einer Nockensteuerung. Zu diesem Zweck sind die Schieber 4, 7 mit Ausnehmungen 23 (Fig. 7) für eine Nockenstange (nicht dargestellt) versehen.

Wie Fig. 5 zeigt, ist an der Innenseite der Seitenwände des Motorgehäuses 2 jeweils eine kreisringförmig verlaufende Nut zur Aufnahme eines Dichtungsringes 8 ausgebildet, um den Rotor 1 gegenüber dem Motorgehäuse 2 an den jeweiligen Seitenwänden abzudichten. Die Schmierung des Rotors erfolgt von der Motorwelle 12, so daß kein Schmieröl in die Arbeitkammer des Rotationskolben-Verbrennungsmotors gelangen kann. Der den Mantel des im wesentlichen zylindrisch ausgeführten Motorgehäuses bildende, trogartig geformte Gehäusedeckel 2b ist im unteren Bereich des Motorgehäuses 2 fest mit diesem verbunden und im oberen Gehäuseabschnitt zu Montagezwecken lösbar angebracht.

Die Funktion des oben beschriebenen Rotationskolben-Verbrennungsmotors mit den Arbeitstakten Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen wird im folgenden anhand der Figuren 1 bis 4 erläutert:

Fig. 1 zeigt den im Uhrzeigersinn rotierenden Kolben 9 in 0 einer Stellung während des Ansaugens von Frischgas in die zwischen Gehäusedeckel 2b und Rotor 1 bzw. Kolben 9 gebildete Arbeitskammer über die Einlaßöffnung 6 im Motorgehäuse 2. Das Frischgas befindet sich in dem durch die rückseitige Kolbenfläche abgetrennten, als Füllraum 15 bezeichneten Teil der Arbeitskammer. Mit dem Ansaugen des Frischgases wird gleichzeitig das im vorangegangenen Ansaugtakt aufgenommene Frischgas im Verdichtungsraum 15a, der in der Arbeitskammer einerseits durch die gewölbte Auf lauf fläche des Kolbens 9 und die Dichtleiste 11 und 0 andererseits durch den zweiten Schieber 7 abgeteilt ist, verdichtet. Während dieses Verdxchtungstaktes befindet sich der erste Schieber 4, gesteuert durch eine nicht dargestellte Nockenstange, in der oberen Stellung, während der zweite Schieber 7 unter der Wirkung der Feder 6 die untere Stellung einnimmt und den Verdichtungsraum 15a auf dieser Seite dichtend begrenzt.

Fig. 2 zeigt den Rotationskolben-Verbrennungsmotor in einer Stellung, in der die Auflauffläche des Kolbens 9 in dichtender Verbindung mit den beiden unter Federdruck stehenden Schiebern 4, 7 steht, wobei der zweite Schieber durch die Auflauffläche des Kolbens 9 bereits vollständig angehoben ist. Das Frischgas befindet sich zu diesem Zeitpunkt in dem als Explosionsraum 17 bezeichneten Teil der Arbeitskammer in einem Zustand höchster Verdichtung.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Kolbenstellung hat der Kolben 9 den Bereich des ersten Schiebers 4 verlassen. Der erste Schieber 4 hat sich unter der Wirkung der Feder 4 auf die Mantelfläche des Kolbens 9 abgesenkt und dichtet die Arbeitskammer sowohl zum Füllraum 15, in dem sich unverdichtetes Frischgas befindet, als auch zu dem nunmehr gebildeten Verbrennungsraum 16 ab. In dem Arbeitskammerbereich zwischen den beiden Schiebern 4, 7, in dem der Gehäusedeckelteil mit der Zündvorrichtung .5 geringfügig höher angeordnet ist, verbleibt zwischen der Dichtleiste 11 und dem Gehäusedeckel bzw. den Seitenwänden des Motorgehäuses ein Spalt 16a, so daß das verdichtete Gas in den Verbrennungsraum 16 strömen kann. Das durch den Spalt 16a in die Verbrennungskammer 16 überströmende komprimierte Frischgas wird aufgrund der Aus run dung en de-r Verbrennungskammer 16, bedingt durch die trogartige Ausbildung der Zylindermantelfläche des Rotors 1 und des Gehäusedeckels 2b als auch die Ausrundungen am ersten Schieber 4 und an der rückseitigen Kolbenfläche 13, gut verwirbelt und vermischt und anschließend über die Zündvorrichtung 5 gezündet.

In dieser frühen Expansionsphase, das heißt wenn der Kolben 9 die Verbrennungskammer verläßt, trifft bereits der volle Verbrennungsdruck auf die rückseitige Kolbenfläche 13, so daß der Druck der Verbrennungsgase größtenteils genutzt werden kann. Während der Expansion bewegt sich der Kolben '9 unter der Wirkung der sich im Expansionsraum 18 ausdehnenden

-S-

Gase zur Ausführung des Arbeitshubes weiter. Der zweite Schieber 7 wird während dieses Arbeitstaktes in der oberen Stellung gehalten. Durch die trogartig ausgerundete Ausbildung des Verbrennungs- und Expasionsraums mit den zusätzlichen Ausrundungen am ersten Schieber 4 und an der rückseitigen Kolbenfläche 13 befinden sich in diesem Arbeitskammerteil keine Eckbereiche und außerdem erfolgt eine gute Durchwirbelung der Gase. Somit ist eine im wesentlichen vollständige Verbrennung gewährleistet, und die Entstehung von Partikeln und der Schadstoffausstoß werden vermindert.

Während des Expansionstaktes wird gleichzeitig das sich im Ausstoßraum 19 befindliche verbrauchte Gas aus dem vorangegangenen Verbrennungs- und Expansionsvorgang an der Vorderseite des Kolbens 9 über die Auslaßöffnung 20 ausgeschoben. Die Auslaßöffnung 20 befindet sich, wie aus den Figuren 1 bis 4 ersichtlich ist, in einer ständigen Offenstellung. Während des Durchgangs des Kolbens 9 wird die Leitklappe 21 aufgrund ihrer blattfederartigen Ausbildung jedoch vom Kolben 9 unterfahren und kurzzeitig angehoben.

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Bezugszexchenlxste

I Rotor

2 Motorgehäuse

2a Öffnung

2b Gehäusedeckel

3 Feder

4 erster Schieber

4a erstes Gehäuseteil

5 Zündvorrichtung

6 Feder

7 zweiter Schieber

7a zweites Gehäuseteil

8 Dichtring

9 Kolben

10 Nut

II Dichtleiste 12 Motorwelle

13 rückseitige Kolbenfläche

14 Ausrundung

15 Füllraum

15a Verdichtungsraum

16 Verbrennungsraum 16a Spalt

17 Explosionsraum

18 Expansionsraum (Arbeitshub)

19 Ausstoßraum

20 Auslaßöffnung 0 21 Leitklappe

22 Einlaßöffnung

23 Ausnehmungen für Nockenstange

24 Rundungen

25 trogförmige Vertiefung 25a trogförmige Vertiefung

Claims

- 10 - Ansprüche

1. Rotationskolben-Verbrennungsmotor, bestehend aus - einem hohlzylindrischen Motorgehäuse,

einem im Motorgehäuse zentrisch sowie drehbar angeordneten, im wesentlichen zylinderförmigen Rotor, - einer zwischen den Mantelflächen des Motorgehäuses

und des Rotors gebildeten Arbeitskammer, - mittels einer Steuerung betätigbaren Absperrorganen, die in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Rotors zur phasenweisen Absperrung der Arbeitskammer in vorbestimmten Radialebenen in radialer Richtung bewegbar an dem Motorgehäuse gelagert sind, - mindestens einer am Motorgehäuse im Bereich der Arbeitskammer vorgesehen Einlaßöffnung für Frischgase und mindestens einer Auslaßöffnung für Verbrennungsgase, und

einem mit dem Rotor verbundenen, eine entgegen der . Drehrichtung bogenförmig ansteigende Auflauffläche aufweisenden Kolben, der in der Arbeitskammer im Zusammenwirken mit den Absperrorganen während eines Rotorumlaufs einen Füllraum, einen Verdichtungsraum, einen Verbrennungsraum, einen Expansionsraum und einen Ausstoßraum bildet,

dadurch gekennzeichnet, daß ein im Längsschnitt im wesentlichen sichelförmiger Kolben (9) mit in Drehrichtung zur Mantelfläche des Rotors (1) spitzwinklig auslaufendem Ende starr mit dem Rotor (1) 0 verbunden ist und der Bereich zwischen den beiden als Schieber (4, 7) ausgebildeten Absperrorganen, in dem beim Durchlaufen des Kolbens (9) ein Verbrennungsraum (16) gebildet ist, auf der Seite des Zylindermantels und/oder der Seitenwände des Motorgehäuses (2) erweitert ist.

2. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1,

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dadurch gekennzeichnet, daß die rückseitige, im wesentlichen senkrecht zur Mantelfläche des Rotors (1) stehende Kolbenfläche (13) konkav gewölbt ist.

3 . Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schieber (4) auf der zum zweiten Schieber (7) gerichteten Seite im Bereich der Arbeitskammer eine konkave Ausrundung (14) aufweist.
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4. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach einem der

Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an dem in Drehrichtung hinteren Ende des Kolbens (9) eine Nut

(10) zur Aufnahme einer Dichtleiste (11) vorgesehen ist.

5. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der bogenförmigen Auflauffläche des Kolbens (9) größer als der Abstand zwischen den beiden Schiebern (4, 7) ist.

6. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammer eine Querschnittsform mit gerundeten Kanten aufweist.

7. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gerundete 0 Querschnittsform der Arbeitskammer durch eine trogartige Vertiefung (25) des Zylindermantels des Rotors (1) einschließlich der Auflauffläche des Kolbens (9) und eine trogartige Vertiefung (25a) der Innenseite des Gehäusedeckels (2b) des Motorgehäuses (2) gebildet ist.

8. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 7,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Schieber (4, 7) mit Rundungen (24) entsprechend der trogformigen Vertiefung (25) im Zylindermantel des Rotors (1) bzw. in der Auflauffläche des Kolbens (9) ausgebildet sind.
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9. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Auslaßöffnung (20) eine in der Form an die trogartige Vertiefung (25) angepaßte und auf dieser unter Federdruck anliegende Leitklappe (21) angeordnet ist, die beim Durchlaufen des Kolbens (9) über dessen Auflauffläche nach außen verschwenkbar ist.

10. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet/ daß die Leitklappe (21) eine Blattfeder ist.

11. Rotationskolben-Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenwänden des Motorgehäuses (2) eine kreisringförmig verlaufende Nut mit einem Dichtring (8) zur seitlichen Abdichtung des Rotors (1) gegenüber dem Motorgehäuse (2) vorgesehen ist.