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WO2014122289A1 - Rotationskolbenmotor - Google Patents

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Publication number
WO2014122289A1
WO2014122289A1 PCT/EP2014/052481 EP2014052481W WO2014122289A1 WO 2014122289 A1 WO2014122289 A1 WO 2014122289A1 EP 2014052481 W EP2014052481 W EP 2014052481W WO 2014122289 A1 WO2014122289 A1 WO 2014122289A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotary piston
sealing
piston
working
lubricant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2014/052481
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Glenn Rolus Borgward
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RB HOLDING GmbH
Brands and Products IPR Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
RB HOLDING GmbH
Brands and Products IPR Holding GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RB HOLDING GmbH, Brands and Products IPR Holding GmbH and Co KG filed Critical RB HOLDING GmbH
Priority to EP14704316.0A priority Critical patent/EP2954164A1/de
Priority to US14/766,601 priority patent/US20150377025A1/en
Publication of WO2014122289A1 publication Critical patent/WO2014122289A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/02—Radially-movable sealings for working fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/123—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with tooth-like elements, extending generally radially from the rotor body cooperating with recesses in the other rotor, e.g. one tooth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/126—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with elements extending radially from the rotor body not necessarily cooperating with corresponding recesses in the other rotor, e.g. lobes, Roots type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/007—General arrangements of parts; Frames and supporting elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/08—Axially-movable sealings for working fluids
    • F01C19/085—Elements specially adapted for sealing of the lateral faces of intermeshing-engagement type machines or engines, e.g. gear machines or engines

Definitions

  • the invention relates to a rotary piston engine with at least one rotary piston for compression and / or expansion of a working gas in at least one working chamber and a method for compression and / or expansion of a working gas in a rotary piston engine.
  • a similar rotary piston engine and a method for compression and / or expansion of a working gas in a rotary piston engine is known, for example, from DE 10 201 1 109 966.
  • Such a rotary piston engine for compression and expansion of a working gas comprises at least one working piston, about its axis of rotation i.d.R. a plurality of working chambers are formed and rotatable, in which the working gas is compressed, optionally ignited and expanded after ignition, wherein the working chambers in the axial direction and / or in the circumferential direction of the working piston can be arranged one behind the other.
  • a rotary piston engine i.d.R. at least one auxiliary piston with a complementary to the working piston geometry, which rolls sealingly on the working piston, so that at least one working chamber is formed with variable volume for compression and expansion of the working gas.
  • the invention is therefore based on the object to improve a known rotary piston engine of the above type and a method for its operation to the effect that a better performance and a higher efficiency can be achieved.
  • the flexibility in the feasibility and the ability to adapt to a wide variety of circumstances and expectations plays a role, in particular in order to meet a wide variety of applications.
  • the focus of development is u. a.
  • the object is achieved by the rotary piston engine according to claim 1 for compressing and / or relaxing a working gas in at least one working chamber comprising at least one rotary piston with at least one rotatably mounted rotary body and at least one relative to the rotary body movable sealing portion for sealing the at least one working chamber.
  • the sealing gaps between the stationary and rotating parts of the rotary piston engine can be better closed and sealed by means of the sealing section which can be moved relative to the rotary body, so that the pressure and fuel losses in the compressor chamber are reduced. tion and expansion stage and decrease the efficiency and cost of the rotary piston engine increases.
  • axial, radial and circumferential direction respectively refer to the axis of rotation of each in question rotary piston.
  • the axial direction is a direction along or parallel to the axis of rotation of the respective rotary piston.
  • a radial direction is a direction perpendicular to the said axis of rotation.
  • the circumferential direction runs along the circumference of any circle whose center lies on the axis of rotation.
  • the first aspect of the invention is primarily concerned with the sealing of the working chambers between the stationary and rotating parts of the rotary piston engine.
  • sealing surface referred to in the context of this invention, the surface of a stationary or rotating part of the rotary piston engine, which faces a corresponding surface of a stationary or rotating part of the rotary piston engine - the so-called sealing partner - to prevent leakage of the working gas through the sealing gap between the sealing surfaces .
  • the rotary piston is rotatable while maintaining the seal of the at least one working chamber about a rotation axis.
  • At least one rotary piston is a working piston for compressing and / or relaxing a working gas around whose axis of rotation the at least one working chamber is formed and / or rotated, wherein preferably at least two working chambers are arranged one behind the other in the axial direction and / or in the circumferential direction of the working piston.
  • At least one rotary piston is an auxiliary piston having a geometry complementary to the working piston for sealingly displacing relative to the working piston, preferably to form at least one variable volume working chamber.
  • the at least one rotational body fulfills at least one of the following requirements:
  • the rotational body comprises at least one sealing surface which at least temporarily seals the at least one working chamber during the rotational movement, the sealing surface preferably being deflected from the rotational body in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction.
  • the rotary body comprises at least one receptacle for forming the at least one working chamber.
  • the rotary body comprises an adjustable geometry, so that the volume of at least one receptacle for forming the at least one working chamber is variable.
  • the rotary body comprises at least two receptacles for forming in each case a working chamber, wherein the receptacles are preferably arranged one behind the other in the axial direction and / or in the circumferential direction, wherein the receptacles are preferably dimensioned differently in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction.
  • the rotary body comprises at least one cavity sealed relative to the at least one working chamber.
  • the at least one sealing section fulfills at least one of the following requirements:
  • the sealing portion comprises at least one sealing surface, which preferably deflects in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction of the sealing portion, wherein the sealing surface is preferably formed as a rotationally symmetric surface or as a portion thereof, wherein the sealing surface is preferably in the form of a cylinder jacket and / or a cone shell and / or a ball shell or a circular disc or at least a portion thereof.
  • the sealing section comprises on a sealing surface at least one preferably linear sealing lip, which projects in the direction of a sealing partner, wherein the Sealing lip preferably in the circumferential direction wavy or sinusoidal, wherein the wave-shaped or sinusoidal sealing lip covers a phase angle of at least 180 ° around the circumference of the rotary piston.
  • the sealing section is arranged at least in sections at an axial and / or radial end of the rotary body, wherein the sealing section preferably engages over the rotary body in the axial direction and extends at least in sections along both axial ends of the rotary body.
  • the sealing portion is between a first state in which a sealing surface of the sealing portion is flush with or spaced from a sealing surface of the rotating body and / or with a sealing surface of another sealing portion, and a second state in which the sealing surface of the sealing portion in the direction of a sealing partner further protrudes beyond the sealing surface of the rotary body and / or over the sealing surface of another seal portion, reversibly convertible.
  • the sealing portion is movable along a line in a plane enclosing the axis of rotation of the rotary piston relative to the rotary body, preferably along or parallel to the axis of rotation of the rotary piston and / or radially and / or at an acute angle to the axis of rotation of the rotary piston.
  • the sealing portion is movable only along a, preferably straight, line relative to the rotational body, while all other movements of the sealing portion are locked relative to the rotational body.
  • the sealing section is movable while maintaining the sealing of the at least one working chamber relative to at least one further sealing section and / or to the rotary body.
  • the sealing portion is slidably guided on the rotating body.
  • the sealing portion seals the at least one working chamber in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction.
  • the sealing portion is resiliently biased relative to the rotational body, wherein the resilient bias, the sealing portion and the rotational body preferably pushes apart or pulls together.
  • the seal portion is adapted to be movable by the centrifugal force upon rotation of the rotary piston, the seal portion preferably being spaced from the rotational axis of the rotary piston by the centrifugal force.
  • the sealing portion has a chamfer at at least one end, preferably at a front end in the direction of rotation of the rotary piston, in order to facilitate penetration of the sealing portion into a complementary geometry of a sealing partner.
  • the sealing section is essentially a rotationally symmetrical component or a section thereof, wherein the sealing section is preferably formed in the shape of a circle segment, a ring segment or an arc.
  • the sealing portion forms an outer edge of the rotary piston.
  • the sealing portion is fixed in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction positively on the rotary body.
  • the sealing section is made of a heat-resistant material, preferably ceramic.
  • the sealing portion is made of a ductile material, preferably copper.
  • the sealing portion is made of a porous material.
  • the sealing portion is made of a material having the same coefficient of thermal expansion as the housing and / or at least one further rotary piston.
  • At least two sealing portions are arranged in the axial direction and / or in the radial direction and / or circumferentially adjacent and / or overlapping.
  • At least two sealing sections together form a continuous or closed or self-contained seal.
  • At least two sealing portions are movable relative to each other while maintaining a continuous or closed or self-contained seal.
  • At least two sealing portions are identical or symmetrical or complementary to each other. At least two sealing sections seal the at least one working chamber completely in the axial direction and / or in the radial direction and / or in the circumferential direction.
  • At least two sealing portions are arranged in pairs on opposite axial ends of the rotating body.
  • At least two sealing portions are resiliently biased against each other, wherein the resilient bias, the sealing portions preferably apart pushes or pulls together.
  • sealing section formed according to the above features, an improved sealing of the working chamber can be ensured in each operating state of the rotary piston engine, wherein the sealing section can be adapted particularly well to the properties of the respective sealing partners with regard to materials and contours.
  • the rotary piston engine has a housing which meets at least one of the following requirements:
  • the housing includes at least one inlet for introducing a working gas into the working chamber.
  • the housing includes at least one outlet to discharge a working gas from the working chamber.
  • the housing is at least partially constructed mirror-symmetrical, preferably mirror-symmetrical to a plane which is spanned by the axes of rotation of two rotary pistons.
  • the housing comprises at least two parts, preferably at least two substantially mirror-symmetrical parts, preferably at least two identical parts, in order to cover the rotary piston on different sides of its circumference.
  • the housing is substantially in a plane which is spanned by the rotational axes of two rotary pistons, or split in a plane parallel thereto.
  • a housing according to the above features is easy to manufacture, compact and easy to install and, in the case of a required access to the rotating components of the rotary piston engine, also disassembled again.
  • the object formulated above is achieved by the rotary piston engine according to claim 6, preferably in conjunction with at least one of the preceding embodiments, for compressing and / or relaxing a working gas in at least one working chamber, with a housing and with at least one rotatable in the housing mounted rotary piston, wherein the housing has at least one lubricant channel for supplying lubricant to the rotary piston and / or for removing lubricant from the rotary piston.
  • the housing has at least one lubricant channel for supplying lubricant to the rotary piston and / or for removing lubricant from the rotary piston.
  • the lubricant channel fulfills at least one of the following requirements:
  • the lubricant channel removes the lubricant from the rotary piston into a lubricant reservoir.
  • the lubricant channel is designed such that the lubricant collects in the lubricant container.
  • the lubricant channel extends at least in sections, preferably in an arc around the rotary piston and / or around the working chamber.
  • the lubricant channel is designed so that the lubricant adheres to the lubricant channel wall by adhesion.
  • the lubricant channel is designed so that the lubricant runs through the weight.
  • the lubricant channel extends at least partially within and / or au ßerrenz the housing.
  • the lubricant channel has a smaller radius of curvature in a vertex above the rotary piston than the largest radius of the rotary piston, wherein the lubricant channel below the vertex preferably has a larger radius of curvature than the largest radius of the rotary piston.
  • the lubricant channel has at least one branch.
  • the lubricant channel comprises at least one lubricant feed line for supplying lubricant to the rotary piston, preferably to at least one bearing point of the rotary piston and / or to at least one sealing surface of the rotary piston.
  • the lubricant channel is part of a lubricant circuit, preferably a closed lubricant circuit, wherein the lubricant discharged from the rotary piston is preferably cleaned and returned to the rotary piston.
  • the lubricant channel according to the above features can distribute the required lubricant well over the contact surfaces to be lubricated and reliably dissipate the excess lubricant.
  • the lubricant channel has at least one receiving section for receiving lubricant from the rotary piston, wherein the receiving section fulfills at least one of the following requirements:
  • the receiving section opens to the rotary piston, preferably to at least one bearing point of the rotary piston and / or to at least one sealing surface of the rotary piston.
  • the receiving portion extends at least in sections in the circumferential direction of the rotary piston.
  • the receiving portion is arranged radially outside and axially within the rotary piston, or radially inwardly and axially au ßer foi the rotary piston.
  • the receiving portion is formed so as to receive the centrifugal force discharged from the rotary piston lubricant.
  • the receiving portion includes at least two parallel grooves separated by at least one wall portion, wherein the wall portion preferably tapers or widened in cross section from a proximal end to a distal end, and / or wherein the wall portion is seen in cross section between the proximal end and the distal end is concave, wherein the wall portion preferably has an arrow-shaped profile at the distal end seen in cross section, the tip of which is repelled from the proximal end of the wall portion.
  • the receiving portion comprises at least two parallel grooves, which are preferably deeper than wide.
  • the receiving portion comprises a reflux barrier, which prevents leakage of the already received lubricant.
  • the receiving portion is designed to receive a lubricant supplied to the rotary piston by pressure circulation lubrication in the operating state and in the idle state of the rotary piston engine.
  • the object formulated above is also achieved by the method for compressing and / or relaxing a working gas in a rotary piston engine, preferably in a rotary piston engine according to at least one of the preceding embodiments, wherein the working gas is compressed by a rotary piston in a first working chamber is and is transferred to the ignition in a second working chamber, characterized in that the working gas is applied in the second working chamber with fuel and / or further compressed.
  • the compressed working gas is transferred by the rotary piston and / or by the housing of the rotary piston engine, preferably radially inwardly, from the first working chamber into the second working chamber.
  • the fuel is injected into the second working chamber before and / or during and / or after further compression.
  • the working gas is further compressed in the second working chamber by at least one reciprocating piston, the reciprocating piston preferably being driven pneumatically and / or hydraulically and / or mechanically, preferably by a cam or eccentric shaft coupled to the rotary piston movement, the reciprocating piston and the rotary piston being particularly preferably run at the same speed.
  • the working gas is already introduced in the compressed state in the first working chamber, wherein the compression is preferably carried out by a turbocharger.
  • the working gas is brought to the ignition in the second working chamber by applying fuel and / or by further compression.
  • the ignited working gas is transferred by the rotary piston and / or by the housing of the rotary piston engine, preferably radially outward Shen, from the second working chamber into the first working chamber.
  • FIG. 1 are schematic views of a rotary piston engine according to the invention.
  • Figure 1 a is a perspective view of a rotary piston engine according to the invention with a partially open housing which is separated in a plane enclosing the axes of rotation of the rotary piston;
  • Fig. 1 b is a schematic sectional view of a rotary piston engine according to the invention to illustrate the interaction of the individual components.
  • FIG. 2 are schematic views of the rotary piston of a rotary piston engine according to the invention; in particular Figure 2a is a side view of the rotary piston.
  • FIG. 2b shows the rotary pistons with sealing sections in front view in a first state, in which sealing surfaces of the sealing sections and of the rotary body on the auxiliary piston are flush with one another;
  • FIG. and FIG. 2c shows the upper auxiliary piston with sealing sections in an enlarged detail view and in a front view in a second state, in which the sealing surfaces of the sealing sections on the auxiliary piston protrude further in the axial direction beyond the sealing surfaces of the rotary body.
  • FIG. 3 shows schematic views of a rotary piston designed as a working piston of the rotary piston engine according to the invention; in particular, FIG. 3a shows the rotary piston with sealing sections in a side view in a first state, in which sealing surfaces of the sealing section and of the rotary body are flush with one another; 3b shows the rotary piston with sealing sections in side view in a second state, in which the sealing surfaces of the sealing portions project beyond the sealing surfaces of the rotary body in the radial direction.
  • FIG. 4 shows schematic views of a rotary piston designed as a working piston of the rotary piston engine according to the invention according to an advantageous variant; in particular Fig. 4a in particular the working piston with sealing sections in side view and an enlarged side view of a detail; 4b shows the working piston with sealing sections in front view in a first state in which sealing surfaces of the sealing section and of the rotary body are flush with one another; and FIG. 4c shows the rotary piston with sealing sections in front view and an enlarged front view of a detail in a second state in which the sealing surfaces of the sealing section protrude beyond the sealing surfaces of the rotary body in the radial direction; FIG. and Fig.
  • FIG. 4d is a front view of a rotary piston with a plurality of rows of sealing portions in a first state in an enlarged detail view.
  • various schematic views of a rotary piston engine according to the invention in various steps in particular Fig. 5a is a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention for illustrating the power strokes in a reciprocating piston system or in the expansion stage (system A); 5b is a schematic front view of the rotary piston engine according to the invention with exposed rotary piston.
  • 5c shows a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention for explaining the work cycles in a rotary piston system or in the compression stage (system B); and Figs. 5d-f are simplified and reduced views based on Figs. 5a-c.
  • FIG. 6a is a simplified schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention for explaining the power strokes in the reciprocating system or in the expansion stage (system A).
  • Fig. 6b is a schematic front view of the rotary piston engine of Fig. 6a for explaining the power strokes in the rotary piston system or in the compression stage (system B).
  • FIG. 7a and FIG. 7b being based essentially on FIGS. 6a and 6b.
  • FIG. 8a shows a reciprocating piston system with a pneumatic or hydraulic drive, wherein the reciprocating piston movement is dependent on the rotational movement. supply of the working piston can be decoupled; 8b, a reciprocating piston system with crank drive and connecting rod connection to the axis of rotation of the working piston; and FIG. 8c shows a reciprocating system with cam drive and two end-side ignition chambers.
  • FIG. 10a shows the rotary piston when closing the gas outlet of the ignition chamber
  • FIG. 10b shows the reciprocating piston sucking the working gas from system B into the ignition chamber and the rotary piston sucking air into the working chamber of system A
  • 10c shows the rotary piston when closing the gas inlet of the ignition chamber and when drawing air into the working chamber of system A
  • Fig. 10d shows the reciprocating piston when compressing the working gas in the ignition chamber of system B.
  • FIG. 1 1 a the reciprocating piston when blocking the gas inlet of the ignition chamber with simultaneous ignition by injection or spark ignition and the rotary piston when blocking the intake of the working chamber of system A
  • Fig. 1 1 b the rotary piston when opening the gas outlet of the ignition chamber for discharging the working gas in the working chamber and the reciprocating piston when displacing the residual gases from the ignition chamber and blocking the gas reflux into the ignition chamber to avoid pressure on the piston top and to relieve the lifting system (eg via the cam);
  • Fig. 1 1 a the reciprocating piston when blocking the gas inlet of the ignition chamber with simultaneous ignition by injection or spark ignition and the rotary piston when blocking the intake of the working chamber of system A
  • Fig. 1 1 b the rotary piston when opening the gas outlet of the ignition chamber for discharging the working gas in the working chamber and the reciprocating piston when displacing the residual gases from the ignition chamber and blocking the gas reflux into the ignition chamber to avoid pressure on the piston top and to relieve the lifting system (eg via the cam);
  • FIG. 1 1 c the rotary piston when opening the gas inlet of the ignition chamber for shock purging by precompressed air from system A due to the piston shape and when expanding the working gas into and in the rotating working chamber to drive the working axis; and
  • FIG. 1 d shows the rotary piston 4 when the gas outlet is opened to eject the combustion gases.
  • schematic views showing a subsequent to the second series third chronological series of steps of the inventive method for compression and expansion of a working gas in the rotary piston engine according to the invention in particular Fig. 12a, the rotary piston when closing the gas outlet of the ignition chamber, the exhaust of the combustion gases from the first working chamber and the suction of air into the second working chamber;
  • FIG. 12b shows the reciprocating piston during the aspiration of the working gas into the ignition chamber;
  • FIG. 12a the rotary piston when closing the gas outlet of the ignition chamber, the exhaust of the combustion gases from the first working chamber and the suction of air into the second working chamber;
  • FIG. 12b shows the reciprocating piston during the aspir
  • FIG. 12c shows the rotary piston when the gas outlet of the first working chamber is blocked, when it is opened to the chamber of the lower auxiliary piston for discharging the residual gases into the housing and when closing the gas inlet of the ignition chamber; and FIG. 12d the reciprocating piston during the compression of the working gas.
  • FIG. 13 a shows a schematic perspective partial view of the rotary piston motor according to the invention with a partially opened housing;
  • 13b is a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention according to FIG. 13a, perpendicular to the axes of rotation of the rotary pistons;
  • FIG. 13a shows a schematic perspective partial view of the rotary piston motor according to the invention with a partially opened housing;
  • 13b is a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention according to FIG. 13a, perpendicular to the axes of rotation of the rotary pistons;
  • FIG. 13a shows a schematic perspective partial view of the rotary piston motor according to the invention with a partially opened
  • FIG. 13c shows alternative embodiments of receiving sections of a lubricant channel for receiving lubricant
  • FIG. 13d are schematic views of the course of the lubricant channel and the receiving portion about one of the rotary piston, from which the lubricant is derived
  • Fig. 13e is a schematic side view of an auxiliary piston formed as a rotary piston during rotation, wherein the discarded by centrifugal force or centrifugal lubricant is shown schematically by drops.
  • Fig. 14a is a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention perpendicular to the axes of rotation of the rotary piston in the intended installation position
  • Fig. 14a is a schematic sectional view of the rotary piston engine according to the invention perpendicular to the axes of rotation of the rotary piston in the intended installation position
  • FIG. 14b shows the rotary piston engine of Fig. 14a in an inclined position in which the rotary piston engine is inclined relative to the intended installation position about an axis parallel to the axes of rotation by the angle a / 2.
  • FIG. 15 a shows a schematic sectional view of a rotary piston engine according to the invention. right to the axes of rotation of the rotary pistons;
  • Fig. 15b is a schematic partial sectional view of the rotary piston engine of Fig. 15a taken along the axis of rotation of the upper auxiliary piston to show the course of the lubricant channel.
  • FIG. 16a is a schematic perspective partial view of a rotary piston engine according to the invention with a partially open housing.
  • FIG. 16b shows a schematic sectional view of the rotary piston motor according to the invention perpendicular to the axes of rotation of the rotary pistons;
  • FIG. and FIG. 16c shows a schematic partial sectional view of the rotary piston motor from FIG. 16b along the axis of rotation of the upper auxiliary piston to show the course of the lubricant channel.
  • the rotary piston engine 1 operates according to the process principle described above for the compression and expansion of a working gas, and comprises a working piston 4, about the axis of rotation 40 working chambers 2 are formed and rotatable to compress the working gas, ignite if necessary and after the Ignite ignition.
  • the working chambers 2 are spaced in the axial direction and in the circumferential direction of the working piston 4 or arranged one behind the other.
  • the working piston 4 comprises a rotatably mounted in the housing 5 rotating body 41 with a plurality of movable sealing portions 42 for sealing the working chambers 2 and two receptacles 43 for forming a respective working chamber 2, which are separated by slide 44.
  • Each of the two auxiliary pistons 3 comprises two rotary bodies 31, 34 rotatably mounted together in the housing 5, on which movable sealing sections 32, 33, 35, 36 are mounted for sealing the working chambers 2, the rotary bodies 31, 34 being tuned to the rolling geometry of the working piston 4 Have Wälzgeometrie to move sealingly relative to the working piston 4 and the housing 5.
  • the working gas is introduced in a known manner through an inlet (51, see Fig. 8-12) in the working chambers 2 and compressed by rotation of the working piston 4, possibly ignited and relaxed after ignition in the working chambers 2.
  • the working gas can be transferred through a channel (not shown) from the compression stage in the expansion stage.
  • the working gas can also be ignited in one of the working chambers 2.
  • the housing 5 has a lubricant channel 6 for the supply and removal of lubricant S to and from the upper auxiliary piston 3.
  • This lubricant channel 6 includes, among other receiving portions 60 for receiving the discarded by centrifugal force of the rotary piston 3 lubricant.
  • a plurality of lubricant supply lines 65 can run through the housing 5. Further details on the lubricant guide will be described later in connection with FIGS. 13 to 16.
  • FIG. 2 shows schematic views of the rotary pistons 3, 4 of the rotary piston engine 1 according to the invention and in particular illustrates the functioning of the sealing sections 32, 33, 35, 36 and 42.
  • each of the two auxiliary pistons 3 comprises of the rotary piston engine 1 according to the invention two rotatably mounted in the housing 5 rotational body 31, 34, wherein on each rotation body 31, 34 movable sealing portions 32, 33, 35, 36 are mounted to seal the working chambers 2.
  • the auxiliary piston 3 can maintain the sealing of the working chamber 2 even with rotation about its axis of rotation 30 and with thermally induced material expansions.
  • Each rotation body 31, 34 also comprises a cavity 37 (FIG. 2 a) sealed relative to the working chamber 2 and sealing surfaces 31 a / b / c, 34 a, which are in the axial direction, in the radial direction and in the circumferential direction of the rotation body 31, 34, 41 / b / c, which temporarily seal the working chamber 2 during the rotational movement of the rotary body 31, 34.
  • a cavity 37 (FIG. 2 a) sealed relative to the working chamber 2 and sealing surfaces 31 a / b / c, 34 a, which are in the axial direction, in the radial direction and in the circumferential direction of the rotation body 31, 34, 41 / b / c, which temporarily seal the working chamber 2 during the rotational movement of the rotary body 31, 34.
  • the two sealing sections 32, 33 on one of the rotary bodies 31 are symmetrical to one another and are arranged in pairs on opposite axial ends of the rotary body 31, where the sealing sections 32, 33 are toothed and complementary in the circumferential direction Contour contours of the rotating body 31 and can be axially displaced away from the rotary body 31 and to the rotary body 31 while maintaining a continuous seal.
  • the sealing portions 32, 33 are each resiliently biased relative to the rotary body 31, 34, wherein the resilient bias repels each of the sealing portions 32, 33 of the rotary body 31. As is shown by way of example in FIG.
  • the sealing section 32 comprises at its axial sealing surface 32 b a line-shaped sealing lip 32 d, which extends in the direction the working piston 4 protrudes and runs sinusoidally in the circumferential direction. Due to the wave shape, a so-called. Erosion of the sealing portion 32 is prevented in the sealing partner 4, since the sealing lip does not always cooperate with the sealing partner 4 at the same point, but the contact point meanders in the radial direction. As a result, the wear of the seal portion 32 as well as the abrasion on the working piston 4 can be reduced.
  • all sealing portions 32, 33, 35, 36 have such sealing lips 32d.
  • the sealing lips 32d are preferably ridges which protrude beyond the respective sealing surface 32b, but are integrally connected to the respective sealing portion 32 and consist of its material.
  • the two sealing portions 35, 36 (Fig. 1 b, 2b) of the other rotating body 34 are complementary to each other and arranged in pairs at the opposite axial ends of the rotating body 34, wherein the sealing portions 35, 36 intermeshed and intermeshing positively in the circumferential direction and while maintaining a continuous seal axially apart and can be moved against each other.
  • the sealing portions 35, 36 are resiliently biased against each other, wherein the resilient bias urges the sealing portions 35, 36 apart.
  • the sealing portions 32, 33, 35, 36 include various sealing surfaces 32a / b / c, 33a / b / c, 35a / b / c, 36a / b / c, in the axial direction, in the radial direction, and in the circumferential direction of the respective sealing portion 32, 33, 35, 36 reject.
  • the in the radial direction of the sealing portion 32, 33, 35, 36 repellent sealing surfaces 32a, 33a, 35a, 36a preferably have the shape of a cylinder jacket portion, while in the axial direction of the sealing portion 32, 33, 35, 36 facing sealing surfaces 32b, 33b, 35b, 36b are preferably formed in the form of circular or ring segments.
  • the sealing portions 32, 33, 35, 36 In order to seal the working chamber 2 in the axial direction, the sealing portions 32, 33, 35, 36 between a first state in which the respective sealing surface 32 b, 33 b, 35 b, 36 b of the sealing portion 32, 33, 35, 36 flush with or at a distance to an adjacent sealing surface 31 b, 34 b of the rotary body 3 closes, and a second state in which the sealing surface 32 b, 33 b, 35 b, 36 b further in the direction of the housing 5 or the working piston 4 as a sealing partner on the sealing surface 31 b, 34 b of the rotating body 31, 34 protrudes reversibly convertible.
  • each sealing portion 32, 33, 35, 36 movable only parallel to the axis of rotation 30 of the rotary piston 3 relative to the rotary body 31, 34, 41, while all other degrees of freedom of movement of the sealing portion 32, 33, 35, 36 relative to the Rotation body 31, 34 are locked and blocked.
  • the movement of the sealing portion 32, 33, 35, 36 relative to the rotary body 31, 34 can compensate for example, increased gap dimensions due to a heat-related material expansion.
  • the sealing sections 32, 33, 35, 36 have chamfers 35d, 36d at their front end in the direction of rotation, in order to facilitate penetration of the sealing section 32, 33, 35, 36 into a corresponding complementary geometry of the working piston 4 as a sealing partner during rolling.
  • the sealing portions 32, 33, 35, 36, 42 are preferably made of a heat-resistant material such as ceramic, of a ductile material such as copper or of a porous material, wherein the material of each sealing portion 32, 33, 35, 36 preferably has the same coefficient of thermal expansion as the housing 5 and / or the working piston 4, so that thermally induced material stresses due to different thermal expansion coefficients can be prevented or at least reduced.
  • each rotation body 41 comprises a substantially cylindrical middle part 4a and two circular-disk-shaped axial side parts 4b, at the axial end sides of which a plurality of movable sealing sections 42 are mounted for sealing the working chambers 2.
  • the sealing portions 42 are substantially identical and circular segment-shaped or ring-segment-shaped and arranged in two axially adjacent rows, which are offset in the circumferential direction by about half the circumferential length of a sealing portion 42, on the externa ßeren peripheral edge of the working piston 4.
  • the sealing portions 42 are accordingly adjacent in the circumferential direction and arranged overlapping in the axial direction, wherein the sealing portions 42 form a continuous and circumferentially closed, axially end-side seal of the working chamber 2 at both axial ends of the rotating body 41.
  • the sealing portions 42 are relatively movable while maintaining the self-contained seal. By means of these sealing portions 42, the working piston 4 can maintain the sealing of the working chamber 2 even during rotation about its axis of rotation 40.
  • Radial au ßer Halb the cylindrical central portion 4a and axially within the circular-disk-shaped side parts 4b two receptacles 43 for forming a respective working chamber 2 in the circumferential direction of the rotating body 41 are arranged one behind the other and separated by slide 44 (Fig. 3a / b), wherein the slide 44 a on the Wälzgeometrie the associated auxiliary piston (not shown) have matched Wälzgeometrie or involute geometry to roll sealingly against the auxiliary piston and the housing.
  • the geometry of the rotation body 41 is for example by changing the axial length or by spacing the two axial side parts 4b adjustable so that the volume of the receptacles 43 can be changed to form the working chambers 2.
  • the geometry of the auxiliary piston is then adapted accordingly.
  • the rotary body 41 comprises sealing surfaces 41 a / b / c, in the axial direction (41 b), in the radial direction (41 a) and in the circumferential direction (41 c) from the rotating body 41 and reject the work chambers 2 formed in the receptacles 43 during Seal the rotational movement of the rotating body 41 to the outside.
  • This is in particular a seal for the working piston 4.
  • the individual sealing portions 42 are movable by the centrifugal force in the radial direction during rotation of the working piston 4 and are increasingly spaced with increasing speed from the axis of rotation 40 of the working piston 4.
  • the sealing portions 42 are resiliently biased in the direction of the rotation body 41, wherein the resilient bias the sealing portions 42 in the direction of the rotation body 41, i. against the deflection caused by the centrifugal force pulls.
  • a plurality of rows of staggered sealing portions 42 counteract rapid wear due to the greater area than a single row and form a labyrinth seal which makes the working gas harder to escape even as the seal portions 42 translate in the radial direction and therewith gaps between circumferentially adjacent ones Seal sections 42 arise.
  • the working piston 4 has no lateral contact with the housing 5, whereby no frictional heat is generated. In addition, it can expand without being stuck to the housing 5.
  • the inside auxiliary pistons 3 are mounted with lateral sealing portions 32, 33, 35, 36, so that a lateral seal to the working piston 4 takes place.
  • These sealing portions 32, 33, 35, 36 may be spring-mounted and may also use the centrifugal force, if a component of motion in the radial direction is possible.
  • the rotary body 31, 34 of the auxiliary piston 3 can be formed according to material saving and easier.
  • a plurality of movable sealing sections 42 for sealing the working chambers 2 are also attached to the two circular-disk-shaped axial side parts 4b of the working piston 4 on the outside.
  • the sealing portions 42 are in turn substantially identical and circular segment-shaped or annular segment-shaped but arranged in only one row on the externa ßeren peripheral edge of the working piston 4.
  • the individual sealing sections 42 are accordingly arranged only in the circumferential direction and not in the axial direction adjacent (FIG. 4b / c).
  • the two sealing portions 42 which overlap a slider 44 in the circumferential direction, are directly connected to each other in the axial direction by a connecting part 42d, wherein the connecting part 42d breaks through the axial side parts 4b of the working piston 4 and the comb of the slider 44 in the radial direction forms (Fig. 4a).
  • This connecting part 42d is deflected in the radial direction with the deflection of the sealing sections 42 caused by centrifugal force, wherein the maximum deflection of the sealing sections 42 in the radial direction by the maximum possible immersion depth of the slider 44 and the connecting part 42d in the complementary geometry of the sealing partner or the auxiliary piston 3 is limited.
  • the deflection of the connected via the connecting part 42d sealing portions 42 is automatically regulated, wherein the maximum deflection can be transferred to the other sealing portions.
  • the sealing portion 42 may include at its radial sealing surface 42a a line-shaped sealing lip 42e, which projects in the direction of the housing 5 and extends sinusoidally in the circumferential direction.
  • the waveform prevents the seal section 42 from being eaten into the sealing partner, since the point of contact of the sealing lip 42e to the housing 5 meanders in the axial direction and thus does not always cover the same points. Consequently, the wear of the seal portion 42 and the abrasion on the housing 5 can be reduced.
  • all sealing portions 42 have such sealing lips 42e, wherein the sealing lips 42e of the circumferentially and / or axially adjacent sealing portions 42 are preferably matched to one another such that a circumferentially continuous and self-contained wave pattern results.
  • the sealing lips 42e are formed as ridges of the material of the respective sealing portion 42 and fitted ckig connected to this, to protrude beyond the sealing surface 42a in the direction of the sealing partner 5.
  • a variant of the rotary piston engine according to the invention is described with reference to Figures 5 to 12, in which a reciprocating piston 71 with anti-cyclical (non-linear) up and down movement for recompression of compressed by the working piston 4 working gas is used.
  • the reciprocating piston 71 is located in a control console 7 which can be adjusted in the circumferential direction in the housing 5 and which is described in a similar manner in DE 10 201 1 109 966.
  • the control console 7 comprises a cylinder with a reciprocating piston 71 oscillating in the cylinder, at the ends of which two ignition chambers 70 are formed, each of which is filled by an ignition chamber inlet 74 and emptied again by an ignition chamber outlet 74.
  • the working gas contained or generated in the ignition chambers 70 is an air-fuel mixture that is ignited by autoignition or spark ignition, e.g. via a respective spark plug 72, can be made to explode.
  • the control of the reciprocating piston 71 is effected by a camshaft or the rotation axis 40 of the working piston with a specially shaped cam 75 with or without a connecting rod connection, or by a pneumatic or a hydraulic lifting system (FIGS. 8a to c).
  • the advantages of the embodiment result from the fact that compared to only one auxiliary piston 3 in one revolution, all four work cycles are made possible and the working chamber 2 can be used to flush the ignition chamber 70.
  • Characteristic of the equipped with the reciprocating piston 71 rotary piston engine are also the shortened Gas arrangementswege and the high compression ratio, which is achieved by the synergetic interaction of the rotary piston system with the reciprocating system, whereby the advantages of both systems are particularly advantageous.
  • the processes and working steps of the two systems A and B wherein:
  • Fig. 5a / d, 6a, 7a, 8-12 denotes the reciprocating system, comprising the ignition chamber 70 with adjustable cross-section (volume) and after-compressor (reciprocating piston 71), and
  • System B designates the rotary piston system comprising the rotating gas charging unit for pressure loading the ignition chamber 70 with working gas in the gas flow direction.
  • the advantages of the Hubkolbensystem, in particular the camshaft, are to be seen in that the ignition chamber 70 may remain closed longer by the reciprocating piston 71 as in a continuous upward and downward movement of a normal crankshaft, so that an unwanted volume expansion, or a running back of the working gas is prevented; the gas inlets 73 of the ignition chamber 70 can be closed and remain so that better control can be achieved; the combustion pressure takes place laterally and does not act on the lifting piston 71, the lifting piston 71 being supported by the cylinder wall, which relieves the lifting system and the drive shaft; and
  • a slow or fast movement e.g. can be allowed for compression or closing.
  • the cam 75 can be spring-mounted for the controlled movement in the direction of the axis or guided by a mechanism.
  • the illustrations are merely exemplary in order to show the principle, but alternative reciprocating controls are also possible.
  • the cam 75 preferably controls the reciprocating piston 71 so that the gas in the cylinder (or in the ignition chamber 70 of the reciprocating piston system) is compressed and subsequently displaced therefrom, with the reciprocating piston 71 remaining in the uppermost position until complete expansion in the working rotary piston 4 took place.
  • the Hubkolbenverdichtungungssystem invention is not limited to a rotary piston engine.
  • the filling of the cylinder can, for example, be taken over by a Wankel engine.
  • the reciprocating piston system can also be used for pre-compression of a working gas for a subsequent thermodynamic process in a rotary piston engine.
  • Outer mixture formation (the fuel is mixed outside the firing chamber 70) may not be useful in rotary piston engines because of the complex gas paths. Internal mixture formation (the fuel is admixed within the ignition chamber 70) is therefore preferred.
  • the working rotary piston according to the invention has side parts 4b which bound a working chamber 2 on both sides in the axial direction of the working rotary piston 4, only one radial seal of the working chamber 2 is still significant relative to the housing 5 required. Since the working chamber 2 is already limited by the axial side parts 4b of the working rotary piston 4, eliminates at these points a seal to stationary housing parts. Because the sealing lips in this case are only designed to seal in one direction, complex constructions can be largely prevented. In addition to a lower heating and frictional heat within the rotary piston engine according to the invention thereby also long-term benefits such as reduced wear. Since both the working rotary piston 4 and the auxiliary rotary piston 3 assigned to it have substantially the same circumferential speeds, much lower relative speeds occur between the rotating components than between rotating and stationary components.
  • the inventive method for compression and expansion of a working gas provides that the working gas is compressed by the working piston 4 in the first working chamber 2 and for ignition in the second working chamber or Ignition chamber 70 is transferred, wherein the working gas in the second working chamber or ignition chamber 70 is supplied with fuel and / or further compressed.
  • air is introduced into the first working chamber 2 in uncompressed state or already in the compressed state as working gas.
  • the compression of the working gas prior to introduction into the first working chamber 2 can, for example, be done by a turbocharger.
  • the working gas is compressed by the rotation of the working piston 4.
  • the fuel may be injected into the second working chamber or ignition chamber 70 before, during and / or after further compression.
  • the working gas is further compressed in the second working chamber or ignition chamber 70 by the reciprocating piston 71, wherein the reciprocating piston 71 can be pneumatically, hydraulically or mechanically driven as previously explained.
  • Alternative drive concepts for the reciprocating piston 71 are shown in FIGS. 8a to 8c and in FIG. 9 schematics. presented.
  • the reciprocating motion of the rotary piston movement can be decoupled.
  • the reciprocating piston is mechanically driven by a cam or eccentric shaft coupled to the rotary piston movement, the reciprocating piston 71 and the rotary piston 4 preferably run at the same speed. As a result, the working cycles in the first and second working chambers 2, 70 can be better coordinated with each other.
  • FIGS. 5e to 5f schematically illustrate the processes in both systems A and B, whereby the following method steps are performed in a total of four cycles with two firings per revolution:
  • Fig. 6a and 6b illustrate the working cycles in the reciprocating system (system A) and in the rotary piston system (system B).
  • the recompression in system A takes place via a reciprocating piston 71 which oscillates in the ignition chamber 70, the internal mixture formation taking place via fuel injection into the ignition chamber 70.
  • the mixture is compressed until the ignition point is reached, or the fuel injection takes place in the compressed working gas or an already compressed air-fuel mixture until the ignition point is reached.
  • the gas charging unit is designed for suction and pre-compression of a larger amount of air.
  • the pre-compressed air volume serves for pressure loading of the ignition chamber.
  • the compression pressure can be adjusted and influenced that, for example, in system A, the volume of the ignition chamber 70 is changed via the reciprocating piston 71 and / or in system B, the volume of the working chamber 2 by coaxial displacement of the side parts (4b) of the working piston 4 or through Replacement of the working piston 4 is changed, in particular when the rotary body 41 of the working piston 4 is not formed integrally with the axis.
  • 10 to 12 show schematic views for illustrating a chronological sequence of steps of the method according to the invention for compressing and relaxing a working gas in the rotary piston engine according to the invention.
  • the method has the particular advantage that in the first working chamber formed by the rotary piston large amounts of air can be sucked in and already strongly compressed, without loss of efficiency caused by fuel leakage.
  • the fuel can then be supplied to the already compressed working gas in the closed volume of the second working chamber, so that the risk of fuel leakage is reduced.
  • a diesel engine can be realized when the working gas is brought to the ignition in the second working chamber by applying fuel and / or by further compression.
  • the subsequent compression in the second working chamber ensures thorough mixing of the air-fuel mixture.
  • the air-fuel mixture can be ignited by a spark plug.
  • further effective measures can be taken in the field of lubricant guide, which will be described below with reference to Figures 13 to 16.
  • the lubricant channel 6 is designed to lead the lubricant S to the upper and lower auxiliary pistons 3 and to discharge them from there into a lubricant reservoir.
  • the lubricant channel 6 extends, as shown in Fig. 13a / b / d, in sections around the upper (and lower) auxiliary piston 3 and around the working chamber 2 around.
  • the lubricant passage 6 is constructed such that the lubricant S dropped by the centrifugal force (FIG. 13e) from the upper and lower auxiliary pistons 3 firstly adheres to the lubricant passage wall by gravity and then to the collecting vessel (not shown) at the bottom of the rotary piston engine 1 by gravity is dissipated.
  • the lubricant channel 6 may be partially within and in sections outside ßergur the housing 5 run.
  • a receiving portion 60 for receiving the centrifugal force-dropped lubricant S extends radially outward and axially within the upper and lower auxiliary pistons 3 in the circumferential direction and opens to the outer surface of the upper and lower auxiliary piston 3.
  • the receiving portion 60 includes, for example, a plurality of parallel grooves 61 which each separated by a wall portion 62 and preferably deeper than they are wide. Exemplary alternative embodiments of such receiving sections 60 are shown in cross section in a plane intersecting the axes of rotation 30, 40 of the rotary pistons 3, 4 in FIG. 13c.
  • a non-return valve which prevents a backflow of the already absorbed lubricant S from the receiving portion 60.
  • the wall portions 62 of the receiving portion 60 are formed at its distal end in an approximately arrow-shaped, with the arrowhead away from the proximal end. The centrifugal force from the rotary piston 3 dropped lubricant S penetrates through the spaces between the wall portions 62 in the grooves 61 and meets due to the arrowheads to low resistance.
  • a backflow of the lubricant S from the receiving portion 60 is prevented on the one hand, that the lubricant S adheres to the wall of the lubricant channel by adhesion, on the other hand, that the lubricant S in the arrow-shaped fanned ends of the wall sections 62 gets stuck and thus not on the directly below lying auxiliary piston 3 can drip back.
  • the weight of the lubricant S flows in the lubricant channel 6 along the channel wall down and is discharged in the direction of the collecting container and collected there.
  • 13d shows schematic views of the course of the lubricant channel 6 and the receiving portion 60 relative to the upper auxiliary piston 3.
  • the radius of curvature of the lubricant channel 6 may be smaller than the largest radius of the upper auxiliary piston 3.
  • the radius of curvature of the lubricant channel 6 is preferably greater than the maximum radius of the upper auxiliary piston 3.
  • the lubricant channel 6 may include a larger radius of curvature than the largest radius of the upper auxiliary piston both at the apex 63 and below it.
  • Fig. 14a shows a schematic sectional view of another advantageous embodiment of the rotary piston engine according to the invention perpendicular to the axes of rotation of the rotary piston 3, 4 in the intended installation position and Fig. 14b, the rotary piston engine 1 of Fig. 14a in an inclined position, in which the rotary piston engine 1 with respect to the intended Installation position about an axis parallel to the axes of rotation is inclined by the angle a / 2.
  • the reflux of the lubricant S accommodated in the lubricant channel 6, in particular to the upper auxiliary piston 3, is stopped by limiting sections 66 which extend at least in sections in the circumferential direction of the upper auxiliary piston 3.
  • the limiting sections 66 and Olfelwege can be designed such that the rotary piston engine 1 can even be operated "lying" when the axes of the auxiliary piston 3 and the working piston 4 are arranged substantially in a horizontal plane.
  • the lubricant channel 6 comprises a plurality of lubricant feed lines 65a extending through the housing 5 for pressure circulation lubrication of the bearing points 38 and the axial sealing surfaces of the rotary piston 3 with lubricant S.
  • the lubricant feed lines 65a distribute the lubricant S over the axial sealing surfaces of the rotary piston 3.
  • the lubricant S flowing away from the axial sealing surfaces of the rotary piston 3 is collected in channel sections 65b, which extend radially inside and axially outside the upper auxiliary piston 3 and above the bearing points 38, and fed to the bearing points 38 of the rotary piston 3.
  • the effluent S from the bearings 38 of the rotary piston 3 lubricant S is in channel sections 65c, the arcuate radially run inside and axially outside the upper auxiliary piston 3 below the bearings 38, collected.
  • the excess lubricant S is discharged directly via the lubricant channel 6, in which the arcuate channel sections 65b, 65c open via branches 64, into the collecting container, possibly filtered and fed back via the lubricant supply lines 65.
  • a self-contained lubricant circuit can be accomplished.
  • the lubricant can be conducted directly into the lubricant channel 6 from the axial sealing surfaces of the rotary piston 3 via the upper channel sections 65b-without the detour via the bearing points 38 of the rotary piston 3. This can ensure that only unconsumed lubricant reaches the bearing points 38 of the rotary piston 3.
  • the channel sections 65b, 65c are constructed in such a way that the lubricant S flows under the influence of the weight of the axial sealing surfaces and the bearing points 38 of the rotary piston 3 in the channel sections 65b, 65c and from there via the branches 64 in the lubricant channel 6 and finally in the collection container passes.
  • the invention discloses various advantageous solutions and embodiments for rotary piston engines 1 and pumps.
  • the rotary piston engine according to the invention comprises an auxiliary piston 3 with sealing parts or sealing portions 32, 33, 35, 36 for sealing the auxiliary piston 3 relative to the working chambers 2 of the working piston 4.
  • This embodiment follows the basic principle that two laterally on or in the rotary body 31, 34 of the auxiliary piston 3 movably mounted arcuate sealing portions 32, 33, 35, 36 are pressed by spring pressure to the outside of the respective sealing partner, or the housing 5 or the piston 4.
  • the serrated shape is intended to prevent the sealing sections 32, 33, 35, 36 from rotating relative to the rotating bodies 31, 34 of the auxiliary piston 3 and to reduce the slip of the gas.
  • the sealing portions 32, 33, 35, 36 provide a smaller friction surface with respect to the housing 5 and the working piston 4.
  • the rotary piston engine according to the invention comprises a working piston 4 with sealing parts or sealing portions 42 for lateral sealing of the working chambers 2 relative to the housing 5.
  • This embodiment is based on the basic principle that laterally on or in the rotating body 41 of the working piston 4 movably mounted, arcuate sealing portions 42 are pressed by the centrifugal force with rotating working piston 4 against a resilient bias radially outward Shen to the housing 5 or the auxiliary piston 3.
  • a jagged shape of the seal portions 42 can prevent twisting against the rotation body 41 of the power piston 4 and reduce the slip of the gas. If the sealing portions 42 are arranged overlapping in a plurality of rows, the gaps formed in the radial deflection of the sealing portions 42 in the gaps can be covered and closed by the overlapping sealing portions 42 so that even lower pressure losses are achieved.
  • the sealing portions 32, 33, 35, 36, 42 are preferably made of materials that provide less wear or a better sliding property than the respective rotary pistons 3, 4, for example copper, ceramics, etc ..
  • Die Sealing portions 32, 33, 35, 36, 42 are preferably only on the Au texante the rotary body 31, 34, 41 attached or formed to seal the working chambers 2 better.
  • the sealing sections 32, 33, 35, 36, 42 can also cover a lateral surface and / or at least one axial end side of the rotary bodies 31, 34, 41, so that, for example, a type of heat protection is formed with respect to the working chamber 2.
  • ceramic is suitable as a material.
  • Another possibility is the bevel of the front in the direction of rotation of the sealing portions 32, 33, 35, 36, 42, ie where, for example, the male and female Wälzgeometrien of the auxiliary piston 3 and the working piston 4 meet, so that the male rotary piston 3, 4 does not strike in material expansion or due to displacement on the edge of the female rotary piston 3, 4.
  • the sealing sections 32, 33, 35, 36, 42 can moreover be exchanged more easily and cost-effectively than the rotary pistons 3, 4.
  • the rotary pistons 3, 4 can be made narrower and more flexible in addition to the sealing sections 32, 33, 35, 36, 42 be adapted to certain conditions.
  • the housing 5 of the rotary piston engine according to the invention is designed not only for receiving rotary pistons 3, 4, but in particular for collecting and discharging lubricants S of the rotary piston 3, 4 in a collecting container or an oil pan.
  • the invention uses the centrifugal force of the rotating rotary pistons 3, 4, to drop the existing on the rotary piston 3, 4 lubricants, for example, oil pressure recirculation lubrication, collect and the lubricant channel 6 in the housing behind the piston 4, at least partially around the working piston 4 around, or via drain lines au outside the housing 5 to derive in the oil pan.
  • a receiving section 60 provided with catching grooves 61 or slots traps oil running down or drips down in the housing 5 in the area of the auxiliary piston 3 and conducts it via the lubricant channel 6 into the oil pan.
  • the working piston 4 is less contaminated with oil residues and the working chambers 2 in the compression and in the expansion stage before being filled with oil are protected (cf risk of oil shock in the reciprocating piston).
  • higher pressures and larger amounts of oil are possible, which allows a more constant and safer lubrication at high speeds.
  • the receiving portion 60 with ⁇ lfangrillen 61 in the circular arc portion of the housing portion for receiving the auxiliary piston 3 favors the adhesion of the oil by adhesive force and passes the splashing on the housing wall oil controlled on the housing wall along in the sump.
  • Traps and / or depressions in the lateral area of the auxiliary piston 3 located above the working piston 4 discharge run-down or dripping oil (e.g., the slide bearing) and pass it to the collection container.
  • the working piston 4 is less contaminated with oil residues and protected the working chambers 2 in the compression and in the expansion stage before running with oil. Excess oil in a reciprocating engine is the cause of the so-called oil strike and bad combustion.
  • the lubricant channel 6 is designed to control the dripping oil in the rest state as well as in the operating state controlled, and to create a larger receiving area for the spun-off oil.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit wenigstens einem Rotationskolben zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer sowie ein Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor. Um einen bekannten Rotationskolbenmotor nach obiger Bauart und ein Verfahren zu dessen Betrieb dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Leistung und ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Rotationskolbenmotor wenigstens einen Rotationskolben mit wenigstens einem rotierbar gelagerten Rotationskörper und wenigstens einem gegenüber dem Rotationskörper bewegbaren Dichtungsabschnitt zur Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer umfasst. Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung umfasst der Rotationskolbenmotor ein Gehäuse, das wenigstens einen Schmierstoffkanal zur Zufuhr von Schmierstoff zu dem Rotationskolben und/oder zur Abfuhr von Schmierstoff von dem Rotationskolben aufweist. Der dritte Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor, wobei das Arbeitsgas durch einen Rotationskolben in einer ersten Arbeitskammer verdichtet wird und zur Zündung in eine zweite Arbeitskammer überführt wird, wobei das Arbeitsgas in der zweiten Arbeitskammer mit Kraftstoff beaufschlagt und/oder weiter verdichtet wird.

Description

ROTATIONSKOLBENMOTOR
Die Erfindung betrifft einen Rotationskolbenmotor mit wenigstens einem Rotationskolben zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer sowie ein Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor.
Ein ähnlicher Rotationskolbenmotor und ein Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor ist bspw. aus der DE 10 201 1 109 966 bekannt.
Ein solcher Rotationskolbenmotor zur Verdichtung und Expansion eines Arbeitsgases umfasst wenigstens einen Arbeitskolben, um dessen Rotationsachse i.d.R. mehrere Arbeitskammern ausgebildet und rotierbar sind, in denen das Arbeitsgas verdichtet, ggf. gezündet und nach der Zündung entspannt wird, wobei die Arbeitskammern in axialer Richtung und/oder in Umfangs- richtung des Arbeitskolbens hintereinander angeordnet sein können. Zudem weist ein solcher Rotationskolbenmotor i.d.R. wenigstens einen Hilfskolben mit einer zu dem Arbeitskolben komplementären Geometrie auf, der dichtend an dem Arbeitskolben abwälzt, so dass wenigstens eine Arbeitskammer mit variablem Volumen zur Verdichtung und Expansion des Arbeitsgases gebildet wird.
Im Gegensatz zu einem Hubkolbenmotor klassischer Bauart laufen alle Arbeitstakte (Ansaugen, Verdichten, Zünden, Entspannen) des Rotationskolbenmotors während der Rotation des Rotationskolbens ab, ohne dass der Rotationskolben seine Bewegungsrichtung ändert. Dabei können in verschiedenen Arbeitskammern auch verschiedene Arbeitstakte gleichzeitig stattfinden. Die Explosionsenergie des gezündeten Arbeitsgases wirkt vorzugsweise direkt in Umfangsrichtung auf den Arbeitskolben, der auch die Verdichtung des Arbeitsgases übernimmt. Wie bei einer Fluggasturbine wird die Explosionsenergie des gezündeten Arbeitsgases somit direkt zum Antrieb des Verdichters bzw. zur Verdichtung des Arbeitsgases genutzt, so dass sich in der Theorie ein besonders hoher Wirkungsgrad des Rotationskolbenmotors ergibt.
Bekannte Probleme von Rotationskolbenmotoren sind jedoch die Kompressionsdruckverluste durch vergleichsweise lange Gasführungswege und Abdichtungsprobleme der Arbeitskammern in der Verdichtungs- und Expansionsstufe, die Wärmeausdehnung des Gehäuses und der Rotationskolben, insbesondere durch die großen Reibungsflächen und hohen Drehzahlen, die Flieh- kräfte und Trägheit des Arbeitsgases mit nachteiligen Auswirkungen auf den Gasfluss und die Vermischung des Luft-Kraftstoff-Gemisches vor der Zündung, der Öleinlauf in die Arbeitskammern im Betriebs- oder Ruhezustand, die Steuerbarkeit der Zündung durch schnell drehenden Kolben, insbesondere bei unterschiedlichen Drehzahlen (Lastwechsel). Dadurch sinken der Wirkungsgrad und die Wirtschaftlichkeit des Rotationskolbenmotors. Aus diesen Gründen konnte sich der Rotationskolbenmotor trotz der zahlreichen Vorteile gegenüber den Hubkolbenmotoren in der Praxis bislang nicht durchsetzen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen bekannten Rotationskolbenmotor nach obiger Bauart und ein Verfahren zu dessen Betrieb dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Leistung und ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden. Dabei spielt die Flexibilität bei der Ausführbarkeit und die Anpassungsmöglichkeit an die verschiedensten Gegebenheiten und Erwartungen eine Rolle, insbesondere um den verschiedensten Anwendungsbereichen gerecht zu werden. Im Fokus der Entwicklung stehen u. a. die Verwendbarkeit unterschiedlicher Treibstoffe (Benzin, Diesel, Wasserstoff, etc), als Fremd- und als Selbstzünder, die Steuerungsmöglichkeit bzw. Einstellbarkeit mindestens in gleicher Weise wie beim Hubkolbenmotor (Gaseinlass, Zündzeitpunkt, Gasauslass, Gasmenge, Volumen, Zündkammer, etc.), die Nutzbarkeit als gleichlaufender Motor z.B. für Generatoren, Blockheizkraftwerke und Werkzeugmaschinen, ebenso wie zum Antrieb von Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen. Die Konstruktion soll möglichst einfach aufgebaut sein.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch Einzellösungen (Aspekte), die schon für sich genommen, aber insbesondere in ihrer Zusammenwirkung, einen Rotationskolbenmotor sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb mit verbesserter Leistung und höherem Wirkungsgrad ermöglichen, wobei die Einzellösungen sowohl einzeln als auch in Kombination beansprucht werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch den Rotationskolbenmotor nach Anspruch 1 zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer, umfassend wenigstens einen Rotationskolben mit wenigstens einem rotierbar gelagerten Rotationskörper und wenigstens einem gegenüber dem Rotationskörper bewegbaren Dichtungsabschnitt zur Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer. Durch den gegenüber dem Rotationskörper bewegbaren Dichtungsabschnitt können Dichtspalte zwischen den stehenden und rotierenden Teilen des Rotationskolbenmotors bspw. aufgrund thermischer Materialausdehnungen in jedem Betriebszustand des Rotationskolbenmotors besser verschlossen und abgedichtet werden, so dass die Druck- und Kraftstoffverluste in der Verdich- tungs- und Expansionsstufe sinken und der Wirkungsgrad bzw. die Wirtschaftlichkeit des Rotationskolbenmotors steigt.
Zur besseren Verständlichkeit der beschriebenen und beanspruchten Erfindung werden vorab noch einige Begriffe geklärt:
Die Begriffe axial, radial und Umfangsrichtung beziehen sich jeweils auf die Rotationsachse des jeweils in Rede stehenden Rotationskolbens. Als axiale Richtung wird eine Richtung entlang oder parallel zu der Rotationsachse des jeweiligen Rotationskolbens bezeichnet. Als radiale Richtung bezeichnet man dagegen eine Richtung senkrecht zu der besagten Rotationsachse. Die Umfangsrichtung verläuft entlang des Umfangs eines beliebigen Kreises, dessen Mittelpunkt auf der Rotationsachse liegt.
Der erste Aspekt der Erfindung befasst sich, wie zuvor erwähnt wurde, vorwiegend mit der Abdichtung der Arbeitskammern zwischen den stehenden und rotierenden Teilen des Rotationskolbenmotors. Der Begriff Dichtfläche bezeichnet im Rahmen dieser Erfindung die Fläche eines stehenden oder rotierenden Teils des Rotationskolbenmotors, die einer entsprechenden Fläche eines stehenden oder rotierenden Teils des Rotationskolbenmotors - dem sogenannten Dichtungspartner - dicht gegenübersteht, um ein Austreten des Arbeitsgases über den Dichtspalt zwischen den Dichtflächen zu verhindern. Im vorliegenden Fall gibt es Dichtungen zwischen stehenden und rotierenden Teilen des Rotationskolbenmotors (Arbeitskolben oder Hilfskolben gegenüber dem Gehäuse) wie auch Dichtungen zwischen rotierenden Teilen des Rotationskolbenmotors untereinander (Arbeitskolben gegenüber Hilfskolben).
Es kann von Vorteil sein, wenn der wenigstens eine Rotationskolben wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der Rotationskolben ist unter Beibehaltung der Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer um eine Rotationsachse rotierbar.
Wenigstens ein Rotationskolben ist ein Arbeitskolben zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases, um dessen Rotationsachse die wenigstens eine Arbeitskammer ausgebildet ist und/oder rotiert, wobei vorzugsweise wenigstens zwei Arbeitskammern in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Arbeitskolbens hintereinander angeordnet sind. Wenigstens ein Rotationskolben ist ein Hilfskolben, der eine zu dem Arbeitskolben komplementäre Geometrie aufweist, um dichtend gegenüber dem Arbeitskolben abzuwälzen, vorzugsweise um wenigstens eine Arbeitskammer mit variablem Volumen zu bilden.
Es kann sich aber auch als nützlich erweisen, wenn der wenigstens eine Rotationskörper wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der Rotationskörper umfasst wenigstens eine Dichtfläche, die die wenigstens eine Arbeitskammer während der Rotationsbewegung zumindest zeitweise abdichtet, wobei die Dichtfläche vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung vom Rotationskörper abweist.
Der Rotationskörper umfasst wenigstens eine Aufnahme zur Bildung der wenigstens einen Arbeitskammer.
Der Rotationskörper umfasst eine verstellbare Geometrie, so dass das Volumen wenigstens einer Aufnahme zur Bildung der wenigstens einen Arbeitskammer veränderbar ist.
Der Rotationskörper umfasst wenigstens zwei Aufnahmen zur Bildung jeweils einer Arbeitskammer, wobei die Aufnahmen vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Aufnahmen vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung unterschiedlich dimensioniert sind.
Der Rotationskörper umfasst wenigstens einen gegenüber der wenigstens einen Arbeitskammer abgedichteten Hohlraum.
Es kann sich aber auch als praktisch erweisen, wenn der wenigstens eine Dichtungsabschnitt wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der Dichtungsabschnitt umfasst wenigstens eine Dichtfläche, die vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung vom Dichtungsabschnitt abweist, wobei die Dichtfläche vorzugweise als rotationssymmetrische Fläche oder als Abschnitt davon ausgebildet ist, wobei die Dichtfläche bevorzugt die Form eines Zylindermantels und/oder eines Kegelmantels und/oder eines Kugelmantels oder einer Kreisscheibe oder zumindest eines Abschnitts davon aufweist.
Der Dichtungsabschnitt umfasst an einer Dichtfläche wenigstens eine vorzugsweise li- nienförmige Dichtlippe, die in Richtung eines Dichtungspartners vorsteht, wobei die Dichtlippe vorzugsweise in Umfangsrichtung wellenförmig oder sinusförmig verläuft, wobei die wellenförmige oder sinusförmige Dichtlippe um den Umfang des Rotationskolbens einen Phasenwinkel von wenigstens 180° zurücklegt.
Der Dichtungsabschnitt ist zumindest abschnittsweise an einem axialen und/oder radialen Ende des Rotationskörpers angeordnet, wobei der Dichtungsabschnitt den Rotationskörper vorzugsweise in axialer Richtung übergreift und sich zumindest abschnittsweise entlang beider axialer Enden des Rotationskörpers erstreckt.
Der Dichtungsabschnitt ist zwischen einem ersten Zustand, in welchem eine Dichtfläche des Dichtungsabschnitts bündig mit oder im Abstand zu einer Dichtfläche des Rotationskörpers und/oder mit einer Dichtfläche eines anderen Dichtungsabschnitts abschließt, und einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtfläche des Dichtungsabschnitts in Richtung eines Dichtungspartners weiter über die Dichtfläche des Rotationskörpers und/oder über die Dichtfläche eines anderen Dichtungsabschnitts hervorsteht, reversibel überführbar.
Der Dichtungsabschnitt ist entlang einer Linie in einer die Rotationsachse des Rotationskolbens einschließenden Ebene gegenüber dem Rotationskörper bewegbar, vorzugsweise entlang oder parallel zu der Rotationsachse des Rotationskolbens und/oder radial und/oder im spitzen Winkel zu der Rotationsachse des Rotationskolbens.
Der Dichtungsabschnitt ist lediglich entlang einer, vorzugsweise geraden, Linie gegenüber dem Rotationskörper bewegbar, während alle anderen Bewegungen des Dichtungsabschnitts gegenüber dem Rotationskörper gesperrt sind.
Der Dichtungsabschnitt ist unter Beibehaltung der Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer relativ zu wenigstens einem weiteren Dichtungsabschnitt und/oder zu dem Rotationskörper bewegbar.
Der Dichtungsabschnitt ist verschieblich am Rotationskörper geführt.
Der Dichtungsabschnitt dichtet die wenigstens eine Arbeitskammer in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ab.
Der Dichtungsabschnitt ist gegenüber dem Rotationskörper federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung den Dichtungsabschnitt und den Rotationskörper vorzugweise auseinander drückt oder zusammen zieht. Der Dichtungsabschnitt ist derart ausgebildet, dass er bei Rotation des Rotationskolbens durch die Zentrifugalkraft bewegbar ist, wobei der Dichtungsabschnitt vorzugweise durch die Zentrifugalkraft von der Rotationsachse des Rotationskolbens beabstandet wird.
Der Dichtungsabschnitt weist an wenigstens einem Ende, vorzugsweise an einem in Drehrichtung des Rotationskolbens vorderen Ende eine Fase auf, um ein Eindringen des Dichtungsabschnitts in eine Komplementärgeometrie eines Dichtungspartners zu erleichtern.
Der Dichtungsabschnitt ist im Wesentlichen ein rotationssymmetrisches Bauteil oder ein Abschnitt davon, wobei der Dichtungsabschnitt vorzugsweise kreissegmentförmig, ring- segmentförmig oder bogenförmig ausgebildet ist.
Der Dichtungsabschnitt bildet eine Au ßenkante des Rotationskolbens.
Der Dichtungsabschnitt ist in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung formschlüssig an dem Rotationskörper festgelegt.
Der Dichtungsabschnitt besteht aus einem hitzebeständigen Material, vorzugweise Keramik.
Der Dichtungsabschnitt besteht aus einem duktilen Material, vorzugweise Kupfer. Der Dichtungsabschnitt besteht aus einem porösen Material.
Der Dichtungsabschnitt besteht aus einem Material, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Gehäuse und/oder wenigstens ein weiterer Rotationskolben.
Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte sind in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung benachbart und/oder überlappend angeordnet.
Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte bilden gemeinsam eine durchgehende oder geschlossene oder in sich geschlossene Dichtung.
Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte sind unter Beibehaltung einer durchgehenden oder geschlossenen oder in sich geschlossenen Dichtung relativ zueinander bewegbar.
Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte sind identisch oder symmetrisch oder komplementär zueinander ausgebildet. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte dichten die wenigstens eine Arbeitskammer vollständig in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfassungsrichtung ab.
- Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte sind paarweise an entgegengesetzten axialen Enden des Rotationskörpers angeordnet.
- Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte sind gegeneinander federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung die Dichtungsabschnitte vorzugweise auseinander drückt oder zusammen zieht.
Durch wenigstens einen nach den vorstehenden Merkmalen ausgebildeten Dichtungsabschnitt kann in jedem Betriebszustand des Rotationskolbenmotors eine verbesserte Abdichtung der Arbeitskammer sichergestellt werden, wobei der Dichtungsabschnitt besonders gut auf die Eigenschaften der jeweiligen Dichtungspartner im Hinblick auf Materialien und Konturen abgestimmt werden kann.
Zudem kann es sinnvoll sein, wenn der Rotationskolbenmotor ein Gehäuse aufweist, welches wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Das Gehäuse umfasst wenigstens einen Einlass, um ein Arbeitsgas in die Arbeitskammer einzulassen.
Das Gehäuse umfasst wenigstens einen Auslass, um ein Arbeitsgas aus der Arbeitskammer abzulassen.
Das Gehäuse ist zumindest abschnittsweise spiegelsymmetrisch aufgebaut, vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die durch die Rotationsachsen zweier Rotationskolben aufgespannt wird.
Das Gehäuse umfasst mindestens zwei Teile, vorzugsweise mindestens zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrische Teile, bevorzugt mindestens zwei identische Teile, um den Rotationskolben an unterschiedlichen Seiten seines Umfangs abzudecken.
Das Gehäuse ist im Wesentlichen in einer Ebene, die durch die Rotationsachsen zweier Rotationskolben aufgespannt wird, oder in einer dazu parallelen Ebene, geteilt. Ein Gehäuse gemäß den vorstehenden Merkmalen ist leicht herstellbar, kompakt und einfach montierbar sowie, im Falle eines erforderlichen Zugriffs auf die rotierenden Bauteile des Rotationskolbenmotors, auch wieder demontierbar.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die eingangs formulierte Aufgabe gelöst durch den Rotationskolbenmotor nach Anspruch 6, vorzugsweise in Verbindung mit wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen, zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer, mit einem Gehäuse und mit wenigstens einem rotierbar im Gehäuse gelagerten Rotationskolben, wobei das Gehäuse wenigstens einen Schmierstoffkanal zur Zufuhr von Schmierstoff zu dem Rotationskolben und/oder zur Abfuhr von Schmierstoff von dem Rotationskolben aufweist. Durch eine Druckumlaufschmierung über den Schmierstoffkanal kann in jedem Betriebszustand des Rotationskolbenmotors eine bessere Abdichtung der Arbeitskammer sichergestellt werden.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung erfüllt der Schmierstoffkanal wenigstens eine der folgenden Anforderungen:
Der Schmierstoffkanal führt den Schmierstoff von dem Rotationskolben in einen Schmierstoffbehälter ab.
Der Schmierstoffkanal ist derart ausgebildet, dass der Schmierstoff sich im Schmierstoffbehälter sammelt.
Der Schmierstoffkanal verläuft zumindest abschnittsweise, vorzugsweise bogenförmig um den Rotationskolben und/oder um die Arbeitskammer herum.
Der Schmierstoffkanal ist derart konstruiert, dass der Schmierstoff durch Adhäsion an der Schmierstoffkanalwand haftet.
Der Schmierstoffkanal ist derart konstruiert, dass der Schmierstoff durch die Gewichtskraft abläuft.
Der Schmierstoffkanal verläuft zumindest abschnittsweise innerhalb und/oder au ßerhalb des Gehäuses.
Der Schmierstoffkanal weist in einem Scheitelpunkt oberhalb des Rotationskolbens einen kleineren Krümmungsradius auf als der größte Radius des Rotationskolbens, wobei der Schmierstoffkanal unterhalb des Scheitelpunkts vorzugsweise einen größeren Krümmungsradius aufweist als der größte Radius des Rotationskolbens. Der Schmierstoffkanal weist wenigstens eine Verzweigung auf.
Der Schmierstoffkanal umfasst wenigstens eine Schmierstoffzuleitung zur Zufuhr von Schmierstoff zu dem Rotationskolben, vorzugsweise zu wenigstens einer Lagerstelle des Rotationskolbens und/oder zu wenigstens einer Dichtfläche des Rotationskolbens.
Der Schmierstoffkanal ist Teil eines Schmierstoffkreislaufs, vorzugsweise eines geschlossenen Schmierstoffkreislaufs, wobei der von dem Rotationskolben abgeführte Schmierstoff vorzugsweise gereinigt und dem Rotationskolben wieder zugeführt wird.
Der Schmierstoffkanal nach den vorstehenden Merkmalen kann den erforderlichen Schmierstoff gut über die zu schmierenden Kontaktflächen verteilen und den überflüssigen Schmierstoff zuverlässig abführen.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführung der Erfindung weist der Schmierstoffkanal wenigstens einen Aufnahmeabschnitt zur Aufnahme von Schmierstoff von dem Rotationskolben auf, wobei der Aufnahmeabschnitt wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt:
Der Aufnahmeabschnitt öffnet sich zum Rotationskolben hin, vorzugsweise zu wenigstens einer Lagerstelle des Rotationskolbens und/oder zu wenigstens einer Dichtfläche des Rotationskolbens.
Der Aufnahmeabschnitt verläuft zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung des Rotationskolbens.
- Der Aufnahmeabschnitt ist radial außerhalb und axial innerhalb des Rotationskolbens, oder radial innerhalb und axial au ßerhalb des Rotationskolbens angeordnet.
Der Aufnahmeabschnitt ist derart ausgebildet, dass er den durch Zentrifugalkraft vom Rotationskolben abgeworfenen Schmierstoff aufnimmt.
Der Aufnahmeabschnitt umfasst wenigstens zwei parallele Rillen, die durch wenigstens einen Wandabschnitt voneinander getrennt sind, wobei sich der Wandabschnitt vorzugsweise im Querschnitt gesehen von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende verjüngt oder erweitert, und/oder wobei der Wandabschnitt im Querschnitt gesehen zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende konkav ausgebildet ist, wobei der Wandabschnitt bevorzugt im Querschnitt gesehen am distalen Ende ein pfeilförmiges Profil aufweist, dessen Spitze von dem proximalen Ende des Wandabschnitts abweist. Der Aufnahmeabschnitt umfasst wenigstens zwei parallele Rillen, die vorzugsweise tiefer als breit sind.
Der Aufnahmeabschnitt umfasst eine Rückflusssperre, die ein Austreten des bereits aufgenommenen Schmierstoffs verhindert.
Der Aufnahmeabschnitt ist zur Aufnahme eines dem Rotationskolben durch Druckumlaufschmierung zugeführten Schmierstoffs im Betriebszustand und im Ruhezustand des Rotationskolbenmotors ausgelegt.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die eingangs formulierte Aufgabe ebenfalls gelöst durch das Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor, vorzugsweise in einem Rotationskolbenmotor nach wenigstens einer der vorangehenden Ausführungen, wobei das Arbeitsgas durch einen Rotationskolben in einer ersten Arbeitskammer verdichtet wird und zur Zündung in eine zweite Arbeitskammer überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas in der zweiten Arbeitskammer mit Kraftstoff beaufschlagt und/oder weiter verdichtet wird.
Es kann von Vorteil sein, wenn das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst:
- Das verdichtete Arbeitsgas wird durch den Rotationskolben und/oder durch das Gehäuse des Rotationskolbenmotors, vorzugsweise radial nach innen, aus der ersten Arbeitskammer in die zweite Arbeitskammer überführt.
Der Kraftstoff wird vor und/oder während und/oder nach der weiteren Verdichtung in die zweite Arbeitskammer eingespritzt.
Das Arbeitsgas wird in der zweiten Arbeitskammer durch wenigstens einen Hubkolben weiter verdichtet, wobei der Hubkolben vorzugsweise pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder mechanisch, bevorzugt von einer mit der Rotationskolbenbewegung gekoppelten Nocken- oder Exzenterwelle, angetrieben wird, wobei der Hubkolben und der Rotationskolben besonders bevorzugt mit gleicher Drehzahl laufen.
Das Arbeitsgas wird bereits im verdichteten Zustand in die erste Arbeitskammer eingebracht, wobei die Verdichtung vorzugsweise durch einen Turbolader erfolgt.
Das Arbeitsgas wird in der zweiten Arbeitskammer durch Beaufschlagung mit Kraftstoff und/oder durch weitere Verdichtung zur Zündung gebracht. Das gezündete Arbeitsgas wird durch den Rotationskolben und/oder durch das Gehäuse des Rotationskolbenmotors, vorzugsweise radial nach au ßen, aus der zweiten Arbeitskammer in die erste Arbeitskammer überführt.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die Figuren im Detail beschrieben.
Kurze Beschreibung der Figuren
Es zeigen:
Fig. 1 schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors; insbesondere Fig. 1 a eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit einem teilweise geöffneten Gehäuse, das in einer die Rotationsachsen der Rotationskolben einschließenden Ebene getrennt ist; und Fig. 1 b eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors zur Darstellung des Zusammenwirkens der einzelnen Komponenten.
Fig. 2 schematische Ansichten der Rotationskolben eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors; insbesondere Fig. 2a eine Seitenansicht der Rotationskolben; Fig. 2b die Rotationskolben mit Dichtungsabschnitten in Vorderansicht in einem ersten Zustand, in welchem Dichtflächen der Dichtungsabschnitte und des Rotationskörpers an den Hilfskolben bündig zueinander verlaufen; und Fig. 2c den oberen Hilfskolben mit Dichtungsabschnitten in vergrößerter Einzeldarstellung und in einer Vorderansicht in einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtflächen der Dichtungsabschnitte an den Hilfskolben in axialer Richtung weiter über die Dichtflächen des Rotationskörpers hervorstehen.
Fig. 3 schematische Ansichten eines als Arbeitskolben ausgebildeten Rotationskolben des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors; insbesondere Fig. 3a den Rotationskolben mit Dichtungsabschnitten in Seitenansicht in einem ersten Zustand, in welchem Dichtflächen des Dichtungsabschnitts und des Rotationskörpers bündig zueinander verlaufen; Fig. 3b den Rotationskolben mit Dichtungsabschnitten in Seitenansicht in einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtflächen der Dichtungsabschnitte über die Dichtflächen des Rotationskörpers in radialer Richtung hervorstehen.
Fig. 4 schematische Ansichten eines als Arbeitskolben ausgebildeten Rotationskolbens des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß einer vorteilhaften Variante; insbe- sondere Fig. 4a den Arbeitskolben mit Dichtungsabschnitten in Seitenansicht und einer vergrößerten Seitenansicht eines Details; Fig. 4b den Arbeitskolben mit Dichtungsabschnitten in Vorderansicht in einem ersten Zustand, in welchem Dichtflächen des Dichtungsabschnitts und des Rotationskörpers bündig zueinander verlaufen; und Fig. 4c den Rotationskolben mit Dichtungsabschnitten in Vorderansicht und einer vergrößerten Vorderansicht eines Details in einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtflächen des Dichtungsabschnitts über die Dichtflächen des Rotationskörpers in radialer Richtung hervorstehen; und Fig. 4d eine Vorderansicht eines Rotationskolbens mit mehreren Reihen von Dichtungsabschnitten in einem ersten Zustand in vergrößerter Einzeldarstellung. verschiedene schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors in verschiedenen Arbeitsschritten; insbesondere Fig. 5a eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors zur Veranschaulichung der Arbeitstakte in einem Hubkolbensystem bzw. in der Expansionsstufe (System A); Fig. 5b eine schematische Vorderansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit freigelegten Rotationskolben; Fig. 5c eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors zur Erläuterung der Arbeitstakte in einem Rotationskolbensystem bzw. in der Verdichtungsstufe (System B); und Fig. 5d-f vereinfachte und reduzierte Ansichten basierend auf den Fig. 5a-c. verschiedene schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors in verschiedenen Arbeitsschritten; insbesondere Fig. 6a eine vereinfachte schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors zur Erläuterung der Arbeitstakte im Hubkolbensystem bzw. in der Expansionsstufe (System A); und Fig. 6b eine schematische Vorderansicht des Rotationskolbenmotors aus Fig. 6a zur Erläuterung der Arbeitstakte im Rotationskolbensystem bzw. in der Verdichtungsstufe (System B). verschiedene Ansichten einer Abwandlung des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors aus Fig. 6; wobei Fig. 7a und Fig. 7b im Wesentlichen auf Fig. 6a und Fig. 6b basieren. schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit innen liegendem Hubkolbensystem zur Veranschaulichung verschiedener Antriebskonzepte für den Hubkolben; insbesondere Fig. 8a ein Hubkolbensystem mit pneumatischem oder hydraulischen Antrieb, wobei die Hubkolbenbewegung von der Rotationsbewe- gung des Arbeitskolbens entkoppelbar ist; Fig. 8b ein Hubkolbensystem mit Kurbelantrieb und Pleuelverbindung zur Rotationsachse des Arbeitskolbens; und Fig. 8c ein Hubkolbensystem mit Nockenantrieb und zwei endseitigen Zündkammern. eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit innen liegendem Hubkolbensystem mit Nockenantrieb und einer endseitigen Zündkammer, wobei der Hubkolben mechanisch über die als Nockenwelle ausgebildete Achse des Arbeitskolbens angetrieben wird. schematische Ansichten zur Darstellung einer ersten chronologischen Serie von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung und Entspannung eines Arbeitsgases in dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor gemäß dem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung; insbesondere Fig. 10a den Rotationskolben beim Verschließen des Gasauslasses der Zündkammer, Fig. 10b den Hubkolben beim Ansaugen des Arbeitsgases von System B in die Zündkammer und den Rotationskolben beim Ansaugen von Luft in die Arbeitskammer von System A; Fig. 10c den Rotationskolben beim Verschließen des Gaseinlasses der Zündkammer und beim Ansaugen von Luft in die Arbeitskammer von System A; und Fig. 10d den Hubkolben beim Verdichten des Arbeitsgases in der Zündkammer von System B. schematische Ansichten zur Darstellung einer an die erste Serie anschließenden zweiten chronologischen Serie von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung und Entspannung eines Arbeitsgases in dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor; insbesondere Fig. 1 1 a den Hubkolben beim Sperren des Gaseinlasses der Zündkammer bei gleichzeitiger Zündung durch Einspritzung oder Fremdzündung sowie den Rotationskolben beim Sperren der Ansaugöffnung der Arbeitskammer von System A; Fig. 1 1 b den Rotationskolben beim Öffnen des Gasauslasses der Zündkammer zum Ablassen des Arbeitsgases in die Arbeitskammer sowie den Hubkolben beim Verdrängen der Restgase aus der Zündkammer und beim Sperren des Gasrückflusses in die Zündkammer zur Vermeidung von Druck auf die Kolbenoberseite und zur Entlastung des Hubsystems (z.B. über die Nocke); Fig. 1 1 c den Rotationskolben beim Öffnen des Gaseinlasses der Zündkammer zur Schockspülung durch vorkomprimierte Luft aus System A aufgrund der Kolbenform sowie beim Expandieren des Arbeitsgases in die und in der rotierenden Arbeitskammer zum Antrieb der Arbeitsachse; und Fig. 1 1 d den Rotationskolben 4 beim Öffnen des Gasauslasses zum Ausstoß der Verbrennungsgase. schematische Ansichten zur Darstellung einer an die zweite Serie anschließenden dritten chronologischen Serie von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung und Entspannung eines Arbeitsgases in dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor; insbesondere Fig. 12a den Rotationskolben beim Verschließen des Gasauslasses der Zündkammer, beim Ausstoß der Verbrennungsgase aus der ersten Arbeitskammer sowie beim Ansaugen von Luft in die zweite Arbeitskammer; Fig. 12b den Hubkolben beim Ansaugen des Arbeitsgases in die Zündkammer; Fig. 12c den Rotationskolben beim Sperren des Gasauslasses der ersten Arbeitskammer, beim Öffnen zur Kammer des unteren Hilfskolbens zum Ablassen der Restgase in das Gehäuse sowie beim Verschließen des Gaseinlasses der Zündkammer; und Fig. 12d den Hubkolben beim Verdichten des Arbeitsgases. schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß einer vorteilhaften Ausführung; insbesondere Fig. 13a eine schematische perspektivische Teilansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit teilweise geöffnetem Gehäuse; Fig. 13b eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß Fig. 13a senkrecht zu den Rotationsachsen der Rotationskolben; Fig. 13c alternative Ausgestaltungen von Aufnahmeabschnitten eines Schmierstoffkanals zur Aufnahme von Schmierstoff; Fig. 13d schematische Ansichten des Verlaufs des Schmierstoffkanals und des Aufnahmeabschnitts um einen der Rotationskolben, von dem der Schmierstoff abzuleiten ist; Fig. 13e eine schematische Seitenansicht eines als Hilfskolben ausgebildeten Rotationskolbens während der Rotation, wobei der durch Zentrifugalkraft bzw. Fliehkraft abgeworfene Schmierstoff schematisch durch Tropfen dargestellt ist. schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung; insbesondere Fig. 14a eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors senkrecht zu den Rotationsachsen der Rotationskolben in der bestimmungsgemäßen Einbauposition; und Fig. 14b den Rotationskolbenmotor aus Fig. 14a in einer Schräglage, in welcher der Rotationskolbenmotor gegenüber der bestimmungsgemäßen Einbauposition um eine zu den Rotationsachsen parallele Achse um den Winkel a/2 geneigt ist. schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung; insbesondere Fig. 15a eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors senk- recht zu den Rotationsachsen der Rotationskolben; und Fig. 15b eine schematische Teilschnittansicht des Rotationskolbenmotors aus Fig. 15a entlang der Rotationsachse des oberen Hilfskolbens zur Darstellung des Verlaufs des Schmierstoffkanals. schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung; insbesondere Fig. 16a eine schematische perspektivische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors mit einem teilweise geöffneten Gehäuse; Fig. 16b eine schematische Schnittansicht des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors senkrecht zu den Rotationsachsen der Rotationskolben; und Fig. 16c eine schematische Teilschnittansicht des Rotationskolbenmotors aus Fig. 16b entlang der Rotationsachse des oberen Hilfskolbens zur Darstellung des Verlaufs des Schmierstoffkanals.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Im Rahmen der Beschreibung werden für gleiche Merkmale gleiche Bezugszeichen verwendet und, soweit möglich, auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet.
Der Rotationskolbenmotor 1 gemäß Fig. 1 arbeitet nach dem oben beschriebenen Verfahrensprinzip zur Verdichtung und Expansion eines Arbeitsgases, und umfasst einen Arbeitskolben 4, um dessen Rotationsachse 40 Arbeitskammern 2 ausgebildet und rotierbar sind, um das Arbeitsgas zu verdichten, ggf. zu zünden und nach der Zündung zu entspannen. Die Arbeitskammern 2 sind in axialer Richtung und in Umfangsrichtung des Arbeitskolbens 4 beabstandet bzw. hintereinander angeordnet. Der Arbeitskolben 4 umfasst einen rotierbar im Gehäuse 5 gelagerten Rotationskörper 41 mit einer Vielzahl bewegbarer Dichtungsabschnitte 42 zur Abdichtung der Arbeitskammern 2 und mit zwei Aufnahmen 43 zur Bildung jeweils einer Arbeitskammer 2, die durch Schieber 44 getrennt sind. Jeder der beiden Hilfskolben 3 umfasst zwei gemeinsam rotierbar im Gehäuse 5 gelagerte Rotationskörper 31 , 34 an denen bewegbare Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 zur Abdichtung der Arbeitskammern 2 angebracht sind, wobei die Rotationskörper 31 , 34 eine auf die Wälzgeometrie des Arbeitskolbens 4 abgestimmte Wälzgeometrie aufweisen, um dichtend gegenüber dem Arbeitskolben 4 und dem Gehäuse 5 abzuwälzen.
Das Arbeitsgas wird in bekannter Weise durch einen Einlass (51 ; vgl. Fig. 8-12) in die Arbeitskammern 2 eingeführt und durch Rotation des Arbeitskolbens 4 verdichtet, ggf. gezündet und nach der Zündung in den Arbeitskammern 2 entspannt. Zur Beaufschlagung mit Kraftstoff und zur Zündung kann das Arbeitsgas durch einen Kanal (nicht dargestellt) aus der Verdichtungsstufe in die Expansionsstufe überführt werden. Das Arbeitsgas kann aber auch in einer der Arbeitskammern 2 gezündet werden.
Das Gehäuse 5 weist einen Schmierstoffkanal 6 zur Zufuhr und Abfuhr von Schmierstoff S zu dem bzw. von dem oberen Hilfskolben 3 auf. Dieser Schmierstoffkanal 6 umfasst unter anderem Aufnahmeabschnitte 60 zur Aufnahme des durch Zentrifugalkraft von den Rotationskolben 3 abgeworfenen Schmierstoffs. Zur Druckumlaufschmierung von Lagerstellen und axialen Dichtflächen des Rotationskolbens 3 mit Schmierstoff können mehrere Schmierstoffzuleitungen 65 (Fig. 1 a) durch das Gehäuse 5 verlaufen. Weitere Details zur Schmierstoffführung werden später im Zusammenhang mit den Fig. 13 bis 16 beschrieben.
Fig. 2 zeigt schematische Ansichten der Rotationskolben 3, 4 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 und veranschaulicht insbesondere die Funktionsweisen der Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 bzw. 42. Wie zuvor im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, umfasst jeder der beiden Hilfskolben 3 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors 1 zwei gemeinsam rotierbar im Gehäuse 5 gelagerte Rotationskörper 31 , 34, wobei an jedem Rotationskörper 31 , 34 bewegbare Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 zur Abdichtung der Arbeitskammern 2 angebracht sind. Durch diese Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 kann der Hilfskolben 3 die Abdichtung der Arbeitskammer 2 auch bei Rotation um seine Rotationsachse 30 und bei thermisch bedingten Materialausdehnungen beibehalten.
Jeder Rotationskörper 31 , 34 umfasst zudem einen gegenüber der Arbeitskammer 2 abgedichteten Hohlraum 37 (Fig. 2a) sowie in axialer Richtung, in radialer Richtung und in Umfangsrich- tung vom Rotationskörper 31 , 34, 41 abweisende Dichtflächen 31 a/b/c, 34a/b/c, die die Arbeitskammer 2 während der Rotationsbewegung des Rotationskörpers 31 , 34 zeitweise abdichten.
Die beiden Dichtungsabschnitte 32, 33 an einem der Rotationskörper 31 (Fig. 1 b, 2b) sind symmetrisch zueinander ausgebildet und sind paarweise an entgegengesetzten axialen Enden des Rotationskörpers 31 angeordnet, wo die Dichtungsabschnitte 32, 33 verzahnt und in Umfangs- richtung formschlüssig mit komplementären Konturen des Rotationskörpers 31 zusammenwirken und unter Beibehaltung einer durchgehenden Dichtung axial von dem Rotationskörper 31 weg und zu dem Rotationskörpers 31 hin verschoben werden können. Die Dichtungsabschnitte 32, 33 sind jeweils gegenüber dem Rotationskörper 31 , 34 federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung jeden der Dichtungsabschnitte 32, 33 von dem Rotationskörper 31 abstößt. Wie in Fig. 2a im vergrößerten Detail beispielhaft dargestellt ist, umfasst der Dichtungsabschnitt 32 an seiner axialen Dichtfläche 32b eine linienförmige Dichtlippe 32d, die in Richtung des Arbeitskolbens 4 vorsteht und in Umfangsrichtung sinusförmig verläuft. Durch die Wellenform wird ein sog. Einfressen des Dichtungsabschnitts 32 in den Dichtungspartner 4 verhindert, da die Dichtlippe nicht immer an derselben Stelle mit dem Dichtungspartner 4 zusammenwirkt, sondern der Kontaktpunkt in radialer Richtung mäandert. Im Ergebnis kann der Verschleiß des Dichtungsabschnitts 32 wie auch der Abrieb am Arbeitskolben 4 verringert werden. Vorzugsweise weisen alle Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 derartige Dichtlippen 32d auf. Die Dichtlippen 32d sind vorzugsweise Grate, die über die jeweilige Dichtfläche 32b hervorstehen, aber einstückig mit dem jeweiligen Dichtungsabschnitt 32 verbunden sind und aus dessen Material bestehen.
Die beiden Dichtungsabschnitte 35, 36 (Fig. 1 b, 2b) des anderen Rotationskörpers 34 sind hingegen komplementär zueinander ausgebildet und paarweise an den entgegengesetzten axialen Enden des Rotationskörpers 34 angeordnet, wobei die Dichtungsabschnitte 35, 36 verzahnt und in Umfangsrichtung formschlüssig ineinandergreifen und unter Beibehaltung einer durchgehenden Dichtung axial auseinander und gegeneinander verschoben werden können. Die Dichtungsabschnitte 35, 36 sind gegeneinander federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung die Dichtungsabschnitte 35, 36 auseinander drängt.
Die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 umfassen verschiedene Dichtflächen 32a/b/c, 33a/b/c, 35a/b/c, 36a/b/c, die in axialer Richtung, in radialer Richtung und in Umfangsrichtung vom jeweiligen Dichtungsabschnitt 32, 33, 35, 36 abweisen. Die in radialer Richtung vom Dichtungsabschnitt 32, 33, 35, 36 abweisenden Dichtflächen 32a, 33a, 35a, 36a weisen vorzugsweise die Form eines Zylindermantelabschnitts auf, während die in axialer Richtung vom Dichtungsabschnitt 32, 33, 35, 36 abweisenden Dichtflächen 32b, 33b, 35b, 36b vorzugsweise in der Form von Kreis- oder Ringsegmenten ausgebildet sind.
Um die Arbeitskammer 2 in axialer Richtung abzudichten, sind die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 zwischen einem ersten Zustand, in welchem die jeweilige Dichtfläche 32b, 33b, 35b, 36b des Dichtungsabschnitts 32, 33, 35, 36 bündig mit oder im Abstand zu einer benachbarten Dichtfläche 31 b, 34b des Rotationskörpers 3 abschließt, und einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtfläche 32b, 33b, 35b, 36b weiter in Richtung des Gehäuses 5 oder des Arbeitskolbens 4 als Dichtungspartner über die Dichtfläche 31 b, 34b des Rotationskörpers 31 , 34 hervorsteht, reversibel überführbar. Unter Beibehaltung der Abdichtung der Arbeitskammer 2 ist jeder Dichtungsabschnitt 32, 33, 35, 36 lediglich parallel zur Rotationsachse 30 des Rotationskolbens 3 gegenüber dem Rotationskörper 31 , 34, 41 bewegbar, während alle anderen Bewegungsfreiheitsgrade des Dichtungsabschnitts 32, 33, 35, 36 gegenüber dem Rotationskörper 31 , 34 gesperrt und blockiert sind. Die Bewegung des Dichtungsabschnitts 32, 33, 35, 36 gegenüber dem Rotationskörper 31 , 34 kann dabei z.B. vergrößerte Spaltmaße aufgrund einer wärmebedingten Materialausdehnung kompensieren.
Die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 weisen an ihrem in Drehrichtung vorderen Ende Fasen 35d, 36d auf, um beim Abwälzen ein Eindringen des Dichtungsabschnitts 32, 33, 35, 36 in eine entsprechende komplementäre Geometrie des Arbeitskolbens 4 als Dichtungspartner zu erleichtern.
Die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42 bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Material wie Keramik, aus einem duktilen Material wie Kupfer oder aus einem porösen Material, wobei das Material jedes Dichtungsabschnitts 32, 33, 35, 36 vorzugsweise den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Gehäuse 5 und/oder der Arbeitskolben 4, so dass thermisch bedingte Materialspannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten verhindert werden können oder zumindest verringert werden.
Wie in Fig. 3 zu erkennen ist, umfasst jeder Rotationskörper 41 einen im Wesentlichen zylindrischen Mittelteil 4a und zwei kreisscheibenförmige axiale Seitenteile 4b, an deren axialen Endseiten jeweils eine Vielzahl bewegbarer Dichtungsabschnitte 42 zur Abdichtung der Arbeitskammern 2 angebracht ist. Die Dichtungsabschnitte 42 sind im Wesentlichen identisch und kreissegmentförmig oder ringsegmentförmig ausgebildet und in zwei axial benachbarten Reihen, die in Umfangsrichtung um etwa eine halbe Umfangslänge eines Dichtungsabschnitts 42 versetzt sind, an der äu ßeren Umfangskante des Arbeitskolbens 4 angeordnet. Die Dichtungsabschnitte 42 sind demnach in Umfangsrichtung benachbart und in axialer Richtung überlappend angeordnet, wobei die Dichtungsabschnitte 42 an beiden axialen Enden des Rotationskörpers 41 eine durchgehende und in Umfangsrichtung geschlossene, axial endseitige Dichtung der Arbeitskammer 2 bilden. Die Dichtungsabschnitte 42 sind unter Beibehaltung der in sich geschlossenen Dichtung relativ zueinander bewegbar. Durch diese Dichtungsabschnitte 42 kann der Arbeitskolben 4 die Abdichtung der Arbeitskammer 2 auch bei Rotation um seine Rotationsachse 40 beibehalten.
Radial au ßerhalb des zylindrischen Mittelteils 4a und axial innerhalb der kreisscheibenförmigen Seitenteile 4b sind zwei Aufnahmen 43 zur Bildung jeweils einer Arbeitskammer 2 in Umfangsrichtung des Rotationskörpers 41 hintereinander angeordnet und durch Schieber 44 getrennt (Fig. 3a/b), wobei die Schieber 44 eine auf die Wälzgeometrie der zugehörigen Hilfskolben (nicht dargestellt) abgestimmte Wälzgeometrie bzw. Evolventengeometrie aufweisen, um dichtend gegenüber den Hilfskolben und dem Gehäuse abzuwälzen. Die Geometrie des Rotationskörpers 41 ist beispielsweise durch Veränderung der axialen Länge bzw. durch Beabstandung der beiden axialen Seitenteile 4b derart verstellbar, dass das Volumen der Aufnahmen 43 zur Bildung der Arbeitskammern 2 verändert werden kann. Die Geometrie der Hilfskolben ist dann dementsprechend anzupassen.
Der Rotationskörper 41 umfasst Dichtflächen 41 a/b/c, die in axialer Richtung (41 b), in radialer Richtung (41 a) und in Umfangsrichtung (41 c) vom Rotationskörper 41 abweisen und die die in den Aufnahmen 43 gebildeten Arbeitskammern 2 während der Rotationsbewegung des Rotationskörpers 41 nach außen abdichten. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine Dichtung für den Arbeitskolben 4. Die einzelnen Dichtungsabschnitte 42 sind bei Rotation des Arbeitskolben 4 durch die Zentrifugalkraft in radialer Richtung bewegbar und werden mit steigender Drehzahl zunehmend von der Rotationsachse 40 des Arbeitskolbens 4 beabstandet.
Die Dichtungsabschnitte 42 sind federnd in Richtung des Rotationskörpers 41 vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung die Dichtungsabschnitte 42 in Richtung des Rotationskörpers 41 , d.h. entgegen der durch die Zentrifugalkraft bewirkten Auslenkung, zieht.
Im Ergebnis wird die Erhöhung des Wirkungsgrads durch besonders geformte Arbeitskolben 4 mit innen liegenden Ausnehmungen 43 zur Bildung der Arbeitskammern 2, die Fliehkraftdichtung durch die radial bewegbaren Dichtungsabschnitte 42 am Rotationskörper 41 des Arbeitskolbens 4, und die komplementär geformten Hilfskolben 3 mit den seitlichen und in axialer Richtung bewegbaren Dichtungsabschnitten 32, 33, 35, 36 an den Rotationskörpern 31 , 34 bewerkstelligt. Die Form der Arbeitskolben 4 mit den im Kolbenvolumen liegenden Arbeitskammern 2 ermöglicht eine Fliehkraftdichtung mit evtl. federnd vorgespannten Dichtungsabschnitten 42, die den Arbeitskolben 4 an beiden axialen Enden in Umfangsrichtung in sich geschlossen gegenüber dem Gehäuse 5 abdichtet. Dadurch wird eine axiale Abdichtung zum Gehäuse 5 nicht mehr benötigt. Mehrere Reihen versetzt zueinander angeordneter Dichtungsabschnitte 42 wirken aufgrund der größeren Fläche gegenüber einer einzelnen Reihe einem schnellen Verschleiß entgegen und bilden eine Labyrinthdichtung, die das Arbeitsgas schwerer entweichen lässt, auch wenn sich die Dichtungsabschnitte 42 in radialer Richtung verschieben und damit Spalte zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Dichtungsabschnitten 42 entstehen. Der Arbeitskolben 4 hat seitlich keine Berührung mit dem Gehäuse 5, wodurch keine Reibungswärme erzeugt wird. Zudem kann er sich ausdehnen ohne an dem Gehäuse 5 festzufahren.
Die innen laufenden Hilfskolben 3 sind mit seitlichen Dichtungsabschnitten 32, 33, 35, 36 gelagert, so dass eine seitliche Abdichtung zum Arbeitskolben 4 erfolgt. Diese Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 können federnd gelagert sein und können ebenfalls die Fliehkraft nutzen, wenn eine Bewegungskomponente in radialer Richtung möglich ist. Die Berührung zur Seitenwand erfolgt über die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36. Die Rotationskörper 31 , 34 des Hilfskolbens 3 können entsprechend materialsparend und leichter geformt werden.
In einer alternativen Ausführung gemäß Fig. 4 ist an den beiden kreisscheibenförmigen axialen Seitenteilen 4b des Arbeitskolbens 4 au ßenseitig ebenfalls jeweils eine Vielzahl bewegbarer Dichtungsabschnitte 42 zur Abdichtung der Arbeitskammern 2 angebracht. Die Dichtungsabschnitte 42 sind wiederum im Wesentlichen identisch und kreissegmentförmig oder ringsegment- förmig ausgebildet aber in lediglich einer Reihe an der äu ßeren Umfangskante des Arbeitskolbens 4 angeordnet. Die einzelnen Dichtungsabschnitte 42 sind demnach lediglich in Umfangs- richtung und nicht in axialer Richtung benachbart angeordnet (Fig. 4b/c). Die beiden Dichtungsabschnitte 42, die einen Schieber 44 in Umfangsrichtung überlappen, sind in axialer Richtung durch ein Verbindungsteil 42d unmittelbar miteinander verbunden, wobei das Verbindungsteil 42d die axialen Seitenteile 4b des Arbeitskolbens 4 durchbricht und den Kamm des Schiebers 44 in radialer Richtung bildet (Fig. 4a). Dieses Verbindungsteil 42d wird mit der durch Zentrifugalkraft verursachten Auslenkung der Dichtungsabschnitte 42 in radialer Richtung ausgelenkt, wobei die maximale Auslenkung der Dichtungsabschnitte 42 in radialer Richtung durch die maximal mögliche Eintauchtiefe des Schiebers 44 bzw. des Verbindungsteils 42d in die Komplementärgeometrie des Dichtungspartners bzw. des Hilfskolbens 3 begrenzt wird. Dadurch wird die Auslenkung der über das Verbindungsteil 42d verbundenen Dichtungsabschnitte 42 selbsttätig reguliert, wobei die maximale Auslenkung auch auf die übrigen Dichtungsabschnitte übertragen werden kann.
Wie das vergrößerte Detail in Fig. 4c beispielhaft zeigt, kann der Dichtungsabschnitt 42 an seiner radialen Dichtfläche 42a eine linienförmige Dichtlippe 42e umfassen, die in Richtung des Gehäuses 5 vorsteht und in Umfangsrichtung sinusförmig verläuft. Im Ergebnis wird auch bei der radial beweglichen Fliehkraftdichtung durch die Wellenform ein Einfressen des Dichtungsabschnitts 42 in den Dichtungspartner verhindert, da der Kontaktpunkt der Dichtlippe 42e zum Gehäuse 5 in axialer Richtung mäandert und somit nicht stets dieselben Stellen überstreicht. Folglich kann der Verschleiß des Dichtungsabschnitts 42 und der Abrieb am Gehäuse 5 reduziert werden. Vorzugsweise weisen alle Dichtungsabschnitte 42 derartige Dichtlippen 42e auf, wobei die Dichtlippen 42e der in Umfangsrichtung und/oder der in axialer Richtung benachbarten Dichtungsabschnitte 42 vorzugsweise derart aufeinander abgestimmt sind, dass sich ein in Umfangsrichtung kontinuierliches und in sich geschlossenes Wellenmuster ergibt. Die Dichtlippen 42e sind als Grate aus dem Material des jeweiligen Dichtungsabschnitts 42 ausgebildet und einstü- ckig mit diesem verbunden, um über die Dichtungsfläche 42a in Richtung des Dichtungspartners 5 hervorzustehen.
Im Folgenden wird mit Bezug auf die Figuren 5 bis 12 eine Variante des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors beschrieben, bei der ein Hubkolben 71 mit antizyklischer (nicht linearer) auf- und Abwärtsbewegung zur Nachverdichtung des durch den Arbeitskolben 4 verdichteten Arbeitsgases zum Einsatz kommt. Der Hubkolben 71 befindet sich in einer im Gehäuse 5 in Um- fangsrichtung verstellbaren Steuerkonsole 7, die in ähnlicher Form in der DE 10 201 1 109 966 beschrieben ist. Die Steuerkonsole 7 umfasst einen Zylinder mit einem in dem Zylinder oszillierenden Hubkolben 71 , an dessen Enden zwei Zündkammern 70 ausgebildet sind, die jeweils durch einen Zündkammereinlass 74 befüllt und durch einen Zündkammerauslass 74 wieder entleert werden. Das in den Zündkammern 70 enthaltene oder erzeugte Arbeitsgas ist ein Luft- Kraftstoff-Gemisch, dass durch Selbstzündung oder Fremdzündung, z.B. über jeweils eine Zündkerze 72, zur Explosion gebracht werden kann.
Die Steuerung des Hubkolbens 71 erfolgt durch eine Nockenwelle bzw. die Rotationsachse 40 des Arbeitskolbens mit speziell geformter Nocke 75 mit oder ohne Pleuelverbindung, oder durch ein pneumatisches oder ein hydraulisches Hubsystem (Fig. 8a bis c). Die Vorteile der Ausführungsform ergeben sich dadurch, dass gegenüber nur einem Hilfskolben 3 bei einer Umdrehung alle vier Arbeitstakte ermöglicht werden und die Arbeitskammer 2 zum Durchspülen der Zündkammer 70 genutzt werden kann.
Charakteristisch für den mit dem Hubkolben 71 ausgestatteten Rotationskolbenmotor sind außerdem die verkürzten Gasführungswege und das hohe Kompressionsverhältnis, das durch das synergetische Zusammenspiel des Rotationskolbensystems mit dem Hubkolbensystem erreicht wird, wodurch die Vorteile beider Systeme besonders vorteilhaft vereint werden. Für die nähere Betrachtung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckdienlich, die Vorgänge und Arbeitsschritte den beiden Systemen A und B zu betrachten, wobei:
System A (Fig. 5a/d, 6a, 7a, 8-12) das Hubkolbensystem bezeichnet, umfassend die Zündkammer 70 mit einstellbarem Querschnitt (Volumen) und Nachverdichter (Hubkolben 71 ), und
System B (Fig. 5c/f, 6b, 7b) das Rotationskolbensystem bezeichnet, umfassend die rotierende Gasladeeinheit zur Druckbeladung der Zündkammer 70 mit Arbeitsgas in Gasströmungsrichtung. Die Vorteile des Hubkolbensystem, insbesondere der Nockenwelle, sind darin zu sehen, dass die Zündkammer 70 länger durch den Hubkolben 71 geschlossen bleiben kann als bei einer kontinuierlichen Auf- und Abwärtsbewegung einer normalen Kurbelwelle, so dass eine ungewollte Volumenerweiterung, bzw. ein Zurücklaufen des Arbeitsgases verhindert wird; die Gaseinlässe 73 der Zündkammer 70 verschlossen werden und bleiben können, so dass eine bessere Steuerung erreicht werden kann; der Verbrennungsdruck seitlich erfolgt und nicht auf den Hubkolben 71 wirkt, wobei der Hubkolben 71 von der Zylinderwand gestützt wird, was das Hubsystem und die Antriebswelle entlastet; und
- durch die Form der Nocke 75 eine langsame oder schnelle Bewegung, z.B. zum Komprimieren oder Verschließen ermöglicht werden kann.
Die Nocke 75 kann für die kontrollierte Bewegung Richtung Achse federnd gelagert oder über einen Mechanismus geführt werden. Die Darstellungen sind lediglich beispielhaft zu verstehen, um das Prinzip zu zeigen, es sind jedoch auch alternative Hubkolbensteuerungen möglich.
Die Nocke 75 steuert den Hubkolben 71 vorzugsweise so, dass das Gas im Zylinder (bzw. in der Zündkammer 70 des Hubkolbenverdichtungssystems) verdichtet und anschließend daraus verdrängt wird, wobei der Hubkolben 71 so lange in der obersten Stellung bleibt, bis die vollständige Expansion im Arbeitsrotationskolben 4 erfolgte.
Zur Optimierung der Verbrennungsleistung ist der Zündkammerquerschnitt vorzugsweise manuell verstellbar, bspw. mit Hilfe eines Schraubenziehers. Das erfindungsgemäße Hubkolbenver- dichtungssystem ist nicht auf einen Rotationskolbenmotor beschränkt. Die Befüllung des Zylinders kann bspw. durch einen Wankelmotor übernommen werden. Ebenso kann das Hubkolbensystem auch zur Vorverdichtung eines Arbeitsgases für einen nachfolgenden thermodynami- schen Prozess in einem Rotationskolbenmotor eingesetzt werden.
Eine äußere Gemischbildung (der Kraftstoff wird au ßerhalb der Zündkammer 70 zugemischt) ist bei Rotationskolbenmotoren aufgrund der komplexen Gaswege möglicherweise nicht sinnvoll. Eine innere Gemischbildung (der Kraftstoff wird innerhalb der Zündkammer 70 zugemischt) wird daher bevorzugt. Im erfindungsgemäßen Hubkolbensystem ist es beispielsweise nicht erforderlich, neben dem Arbeitsrotationskolben 4 auch einen Hilfsrotationskolben 3 zur aktiven Verdichtung des Arbeitsgases durch die rotierenden Bauteile einzusetzen. Alleine durch die Abwärtsbewegung des Hubkolbens 70 kann ein Arbeitsgas aktiv in die Zündkammer eingesaugt und durch die nachfolgende Aufwärtsbewegung des Hubkolbens 70 verdichtet werden.
Besonders bedeutend im Hinblick auf die Abdichtung der Arbeitskammer 2 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors ist die Ausgestaltung des Arbeitsrotationskolbens 4. Da der erfindungsgemäße Arbeitsrotationskolben Seitenteile 4b aufweist, die eine Arbeitskammer 2 in axialer Richtung des Arbeitsrotationskolbens 4 beidseitig begrenzen, ist lediglich noch eine radiale Abdichtung der Arbeitskammer 2 gegenüber dem Gehäuse 5 erforderlich. Da die Arbeitskammer 2 bereits durch die axialen Seitenteile 4b des Arbeitsrotationskolbens 4 begrenzt wird, entfällt an diesen Stellen eine Dichtung zu feststehenden Gehäuseteilen. Weil die Dichtlippen in diesem Fall nur in einer Richtung dichtend auszulegen sind, können komplexe Konstruktionen weitgehend verhindert werden. Neben einer geringeren Erhitzung und Reibungswärme innerhalb des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors ergeben sich dadurch auch langfristige Vorteile wie ein verringerter Verschleiß. Da sowohl der Arbeitsrotationskolben 4 als auch der ihm zugeordnete Hilfsrotationskolben 3 im Wesentlichen die selben Umfangsgeschwindigkeiten aufweisen, treten zwischen den rotierenden Bauteilen weitaus geringere Relativgeschwindigkeiten auf als zwischen rotierenden und stehenden Bauteilen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Verdichtung und Entspannung eines Arbeitsgases, das nachstehend mit Bezug auf die Fig. 5 bis 12 beschrieben wird, sieht vor, dass das Arbeitsgas durch den Arbeitskolben 4 in der ersten Arbeitskammer 2 verdichtet wird und zur Zündung in die zweite Arbeitskammer bzw. Zündkammer 70 überführt wird, wobei das Arbeitsgas in der zweiten Arbeitskammer bzw. Zündkammer 70 mit Kraftstoff beaufschlagt und/oder weiter verdichtet wird.
Dabei wird als Arbeitsgas bspw. Luft in unverdichtetem Zustand oder bereits im verdichteten Zustand in die erste Arbeitskammer 2 eingebracht. Die Verdichtung des Arbeitsgases vor dem Einbringen in die erste Arbeitskammer 2 kann bspw. durch einen Turbolader erfolgen. In der ersten Arbeitskammer 2 wird das Arbeitsgas durch die Drehung des Arbeitskolbens 4 komprimiert. Der Kraftstoff kann vor, während und/oder nach der weiteren Verdichtung in die zweite Arbeitskammer bzw. Zündkammer 70 eingespritzt werden. Das Arbeitsgas wird in der zweiten Arbeitskammer bzw. Zündkammer 70 durch den Hubkolben 71 weiter verdichtet, wobei der Hubkolben 71 wie zuvor erläutert pneumatisch, hydraulisch oder mechanisch angetrieben sein kann. Alternative Antriebskonzepte für den Hubkolben 71 sind in Fig. 8a bis 8c sowie in Fig. 9 Schema- tisch dargestellt. Bei einem pneumatischen oder hydraulischen Hubkolbenantrieb ist die Hubkolbenbewegung von der Rotationskolbenbewegung entkoppelbar. Wird der Hubkolben dagegen mechanisch von einer mit der Rotationskolbenbewegung gekoppelten Nocken- oder Exzenterwelle angetrieben, laufen der Hubkolben 71 und der Rotationskolben 4 vorzugsweise mit gleicher Drehzahl. Dadurch können die Arbeitstakte in der ersten und zweiten Arbeitskammer 2, 70 besser aufeinander abgestimmt werden.
Fig. 5e bis 5f veranschaulichen schematisch die Vorgänge in beiden Systemen A und B, wobei in insgesamt vier Takten mit zwei Zündungen pro Umdrehung die folgenden Verfahrensschritte durchlaufen werden:
System B:
A Ansaugen des Arbeitsgases durch den Gaseinlass 51 in die Arbeitskammer 2;
B Vorverdichten des Arbeitsgases in der Arbeitskammer 2 durch Rotation des Arbeitskolbens 4;
C Befüllen der Zündkammer 70; System A:
D Ansaugen des Arbeitsgases durch den Zündkammereinlass 73 in die Zündkammer 70 durch Absenken des Hubkolbens 71 und Vergrößerung des Volumens der Zündkammer 70;
E Verdichten des Gasgemisches in der Zündkammer 70 durch Aufwärtsbewegung des Hubkolbens 71 und Verringerung des Volumens der Zündkammer 70 (bei äußerer Gemischbildung), ggf. in Verbindung mit dem Einspritzen von Kraftstoff in die Zündkammer 70 (bei innerer Gemischbildung);
F Zündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches (Selbstzündung oder Fremdzündung durch die Zündkerze 72);
G Verbrennen und Expandieren des Arbeitsgases aus der Zündkammer 70 durch den Zünd- kammerauslass in die Arbeitskammer 2; und
H Ausstoßen der Abgase aus der Arbeitskammer 2;
System B (Bei Nutzung eines Turboladers) I Nutzung der Abgase von System A
Fig. 6a und 6b veranschaulichen die Arbeitstakte im Hubkolbensystem (System A) und im Rotationskolbensystem (System B). Die Nachverdichtung in System A erfolgt über einen in der Zündkammer 70 oszillierenden Hubkolben 71 , wobei die innere Gemischbildung über Brennstoffeins- spritzung in die Zündkammer 70 erfolgt. Bei der Selbstzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches wird das Gemisch bis zur Erreichung des Zündungspunkts komprimiert, oder die Kraftstoffeinspritzung erfolgt in das komprimierte Arbeitsgas oder ein bereits komprimiertes Luft- Kraftstoff- Gemisch, bis der Zündungspunkt erreicht ist. Eine Fremdzündung des Luft-Kraftstoff-Gemisches erfolgt über die Zündkerze 72.
In System B werden beim Ansaugen der Luft Gasverluste aufgrund der Leckagen über die Dichtungen in Kauf genommen. Dementsprechend wird die Gasladeeinheit zum Ansaugen und Vorverdichten einer größeren Luftmenge ausgelegt. Die vorverdichtete Luftmenge dient zur Druckbeladung der Zündkammer.
Der Kompressionsdruck kann dadurch einstellt und beeinflusst werden, dass bspw. in System A das Volumen der Zündkammer 70 über den Hubkolben 71 verändert wird und/oder in System B das Volumen der Arbeitskammer 2 durch koaxiales Verschieben der Seitenteile (4b) des Arbeitskolbens 4 oder durch Auswechseln des Arbeitskolbens 4 verändert wird, insbesondere wenn der Rotationskörper 41 des Arbeitskolbens 4 nicht einstückig mit der Achse ausgebildet ist.
Fig. 10 bis 12 zeigen schematische Ansichten zur Darstellung einer chronologischen Abfolge von Schritten des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Verdichtung und Entspannung eines Arbeitsgases in dem erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotor.
Das Verfahren hat insbesondere den Vorteil, dass in der durch den Rotationskolben gebildeten ersten Arbeitskammer große Luftmengen angesaugt und bereits stark verdichtet werden können, ohne dass Wirkungsverluste durch Kraftstoffleckage entstehen. Der Kraftstoff kann dann dem bereits verdichteten Arbeitsgas in dem geschlossenen Volumen der zweiten Arbeitskammer zugeführt werden, so dass die Gefahr der Kraftstoffleckage verringert wird. Dabei lässt sich ein Selbstzünder verwirklichen, wenn das Arbeitsgas in der zweiten Arbeitskammer durch Beaufschlagung mit Kraftstoff und/oder durch weitere Verdichtung zur Zündung gebracht wird. Die nachträgliche Verdichtung in der zweiten Arbeitskammer sorgt für eine Durchmischung des Luft- Kraftstoff-Gemischs. Alternativ kann das Luft- Kraftstoff-Gemisch durch eine Zündkerze gezündet werden. Zur Steigerung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors können im Bereich der Schmierstoffführung weitere effektive Maßnahmen ergriffen werden, die nachstehend mit Bezug auf die Figuren 13 bis 16 beschrieben werden.
In einer vorteilhaften Ausführung gemäß Fig. 13 ist der Schmierstoffkanal 6 dazu ausgebildet, den Schmierstoff S zu den oberen und unteren Hilfskolben 3 hinzuführen und von dort in einen Schmierstoffbehälter abzuführen. Der Schmierstoffkanal 6 verläuft dabei, wie in Fig. 13a/b/d dargestellt, abschnittsweise um den oberen (und unteren) Hilfskolben 3 sowie um die Arbeitskammer 2 herum. Der Schmierstoffkanal 6 ist derart konstruiert, dass der durch Zentrifugalkraft (Fig. 13e) von den oberen und unteren Hilfskolben 3 abgeworfene Schmierstoff S zunächst durch Adhäsion an der Schmierstoffkanalwand haftet und dann durch die Gewichtskraft in den Sammelbehälter (nicht dargestellt) am Boden des Rotationskolbenmotors 1 abgeführt wird. Der Schmierstoffkanal 6 kann dabei abschnittsweise innerhalb und abschnittsweise au ßerhalb des Gehäuses 5 verlaufen.
Ein Aufnahmeabschnitt 60 zur Aufnahme des durch Zentrifugalkraft abgeworfenen Schmierstoffs S erstreckt sich radial außerhalb und axial innerhalb des oberen und unteren Hilfskolbens 3 in Umfangsrichtung und öffnet sich zur Mantelfläche des oberen und unteren Hilfskolbens 3. Der Aufnahmeabschnitt 60 umfasst beispielsweise eine Vielzahl paralleler Rillen 61 , die jeweils durch einen Wandabschnitt 62 getrennt und vorzugsweise tiefer als breit sind. Beispielhafte alternative Ausgestaltungen solcher Aufnahmeabschnitte 60 sind im Querschnitt in einer die Rotationsachsen 30, 40 der Rotationskolben 3, 4 schneidenden Ebene in Fig. 13c dargestellt. Durch konstruktive Maßnahmen kann im Aufnahmeabschnitt 60, insbesondere an dem oberen Hilfskolben 3, eine Rückflusssperre bewerkstelligt werden, die ein Rückfluss des bereits aufgenommenen Schmierstoffs S aus dem Aufnahmeabschnitt 60 verhindert. Beispielsweise sind die Wandabschnitte 62 des Aufnahmeabschnitts 60 an ihrem distalen Ende in etwa pfeilförmig ausgebildet, wobei die Pfeilspitze vom proximalen Ende abweist. Der durch Zentrifugalkraft vom Rotationskolben 3 abgeworfene Schmierstoff S dringt durch die Zwischenräume zwischen den Wandabschnitten 62 in die Rillen 61 ein und trifft aufgrund der Pfeilspitzen auf geringen Widerstand. Ein Rückfluss des Schmierstoffs S aus dem Aufnahmeabschnitt 60 wird einerseits dadurch verhindert, dass der Schmierstoff S durch Adhäsion an der Wand des Schmierstoffkanals haftet, andererseits dadurch, dass der Schmierstoff S in den pfeilförmig aufgefächerten Enden der Wandabschnitte 62 hängen bleibt und somit nicht auf den direkt unterhalb liegenden Hilfskolben 3 zurücktropfen kann. Durch die Gewichtskraft fließt der Schmierstoff S im Schmierstoffkanal 6 an der Kanalwand entlang nach unten und wird in Richtung des Sammelbehälters abgeführt und dort gesammelt. Fig. 13d zeigt schematische Ansichten des Verlaufs des Schmierstoffkanals 6 und des Aufnahmeabschnitts 60 im Verhältnis zum oberen Hilfskolben 3. In einem Scheitelpunkt 63 des Schmierstoffkanals 6, der vorzugsweise oberhalb des oberen Hilfskolbens 3 in einer die Rotationsachsen 30, 40 der Rotationskolben 3, 4 einschließenden Ebene liegt, kann der Krümmungsradius des Schmierstoffkanals 6 kleiner sein als der größte Radius des oberen Hilfskolbens 3. Durch diese Geometrie kann der Abfluss des Schmierstoffs S im Schmierstoffkanal 6 in Richtung des Sammelbehälters durch den Einfluss der Gewichtskraft begünstigt werden. Unterhalb des Scheitelpunkts 63 ist der Krümmungsradius des Schmierstoffkanals 6 dagegen vorzugsweise größer als der größte Radius des oberen Hilfskolbens 3. Alternativ dazu kann der Schmierstoffkanal 6 sowohl im Scheitelpunkt 63 als auch unterhalb davon einen größeren Krümmungsradius als der größte Radius des oberen Hilfskolbens umfassen.
Fig. 14a zeigt eine schematische Schnittansicht einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors senkrecht zu den Rotationsachsen der Rotationskolben 3, 4 in der bestimmungsgemäßen Einbauposition und Fig. 14b den Rotationskolbenmotor 1 aus Fig. 14a in einer Schräglage, in welcher der Rotationskolbenmotor 1 gegenüber der bestimmungsgemäßen Einbauposition um eine zu den Rotationsachsen parallele Achse um den Winkel a/2 geneigt ist. Der Rückfluss des im Schmierstoffkanal 6 aufgenommenen Schmierstoffs S insbesondere zum oberen Hilfskolben 3 wird durch Begrenzungsabschnitte 66, die sich zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung des oberen Hilfskolbens 3 erstrecken, gestoppt. Radial außerhalb der Begrenzungsabschnitte 66 sind Ölsammelbereiche vorgesehen, die das Neigen und Kippen des Rotationskolbenmotors 1 ohne das Rückfließen des Öls an den Hilfskolben 3 ermöglichen. Die Begrenzungsabschnitte 66 und Olführungswege können dabei derart ausgelegt werden, dass der Rotationskolbenmotor 1 sogar„liegend" betrieben werden kann, wenn die Achsen der Hilfskolben 3 und des Arbeitskolbens 4 im Wesentlichen in einer horizontalen Ebene angeordnet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung gemäß Fig. 15 umfasst der Schmierstoffkanal 6 mehrere durch das Gehäuse 5 verlaufende Schmierstoffzuleitungen 65a zur Druckumlaufschmierung der Lagerstellen 38 und der axialen Dichtflächen des Rotationskolbens 3 mit Schmierstoff S. Die Schmierstoffzuleitungen 65a verteilen den Schmierstoff S über die axialen Dichtflächen des Rotationskolbens 3. Der von den axialen Dichtflächen des Rotationskolbens 3 abfließende Schmierstoff S wird in Kanalabschnitten 65b, die bogenförmig radial innerhalb und axial außerhalb des oberen Hilfskolbens 3 sowie oberhalb der Lagerstellen 38 verlaufen, aufgefangen und den Lagerstellen 38 des Rotationskolbens 3 zugeführt. Der von den Lagerstellen 38 des Rotationskolbens 3 abfließende Schmierstoff S wird in Kanalabschnitten 65c, die bogenförmig radial innerhalb und axial außerhalb des oberen Hilfskolbens 3 unterhalb der Lagerstellen 38 verlaufen, aufgefangen. Der überschüssige Schmierstoff S wird direkt über den Schmierstoffkanal 6, in den die bogenförmigen Kanalabschnitte 65b, 65c über Verzweigungen 64 münden, in den Sammelbehälter abgeführt, ggf. gefiltert und über die Schmierstoffzuleitungen 65 wieder zugeführt. Dadurch kann ein in sich geschlossener Schmierstoffkreislauf bewerkstelligt werden.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung gemäß Fig. 16 kann der Schmierstoff von den axialen Dichtflächen des Rotationskolbens 3 über die oberen Kanalabschnitte 65b - ohne den Umweg über die Lagerstellen 38 des Rotationskolbens 3 - direkt in den Schmierstoffkanal 6 geleitet werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass jeweils nur unverbrauchter Schmierstoff an die Lagerstellen 38 des Rotationskolbens 3 gelangt. Die Kanalabschnitte 65b, 65c sind derart konstruiert, dass der Schmierstoff S unter dem Einfluss der Gewichtskraft von den axialen Dichtflächen und den Lagerstellen 38 des Rotationskolbens 3 in die Kanalabschnitte 65b, 65c abfließt und von dort über die Verzweigungen 64 in den Schmierstoffkanal 6 und schließlich in den Sammelbehälter gelangt. Wenngleich die Ausführungsbeispiele der Erfindung gesondert voneinander beschrieben wurden, so können die im Rahmen der Ausführungsbeispiele der Erfindung offenbarten Merkmale auch in Kombination miteinander Verwendung finden.
Vorteile der Erfindung
Zusammengefasst offenbart die Erfindung diverse vorteilhafte Lösungen und Ausführungsbeispiele für Rotationskolbenmotoren 1 und Pumpen.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor einen Hilfskolben 3 mit Abdichtungsteilen oder Dichtungsabschnitten 32, 33, 35, 36 zur Abdichtung des Hilfskolbens 3 gegenüber den Arbeitskammern 2 des Arbeitskolbens 4. Diese Ausführung folgt dem Grundprinzip, dass zwei seitlich am oder im Rotationskörper 31 , 34 des Hilfskolbens 3 beweglich gelagerte bogenförmige Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 über Federdruck nach außen an den jeweiligen Dichtungspartner, bzw. das Gehäuse 5 oder den Arbeitskolben 4 gedrückt werden. Die gezackte Form soll ein Verdrehen der Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 gegenüber den Rotationskörpern 31 , 34 des Hilfskolbens 3 vermeiden und den Schlupf des Gases reduzieren. Zudem bieten die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 eine geringere Reibungsfläche gegenüber dem Gehäuse 5 und dem Arbeitskolben 4. Über eine Druckumlaufschmierung können die seitlichen Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36 zusätzlich geschmiert werden. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung umfasst der erfindungsgemäße Rotationskolbenmotor einen Arbeitskolben 4 mit Abdichtungsteilen oder Dichtungsabschnitten 42 zur seitlichen Abdichtung der Arbeitskammern 2 gegenüber dem Gehäuse 5. Diese Ausführung basiert auf dem Grundprinzip, dass seitlich am oder im Rotationskörper 41 des Arbeitskolbens 4 beweglich gelagerte, bogenförmige Dichtungsabschnitte 42 durch die Zentrifugalkraft bei rotierendem Arbeitskolben 4 entgegen einer federnden Vorspannung radial nach au ßen an das Gehäuse 5 oder den Hilfskolben 3 gedrückt werden. Wiederum kann eine gezackte Form der Dichtungsabschnitte 42 ein Verdrehen gegenüber dem Rotationskörper 41 des Arbeitskolbens 4 vermeiden und den Schlupf des Gases reduzieren. Wenn die Dichtungsabschnitte 42 in mehreren Reihen überlappend angeordnet sind, können die sich bei radialer Auslenkung der Dichtungsabschnitte 42 entstehenden Spalte in den Zwischenräumen durch die überlappenden Dichtungsabschnitte 42 verdeckt und geschlossen werden, so dass noch geringere Druckverluste erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung bestehen die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42 vorzugsweise aus Materialien, die eine geringere Abnützung oder eine bessere Gleiteigenschaft bieten als die jeweiligen Rotationskolben 3, 4, zum Beispiel Kupfer, Keramik, etc.. Die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42 sind vorzugsweise nur an der Au ßenkante der Rotationskörper 31 , 34, 41 angebracht oder ausgebildet, um die Arbeitskammern 2 besser abzudichten. Alternativ oder zusätzlich können die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42 auch eine Mantelfläche und/oder wenigstens eine axiale Endseite der Rotationskörper 31 , 34, 41 abdecken, so dass zum Beispiel eine Art Hitzeschutz gegenüber der Arbeitskammer 2 gebildet wird. In diesem Fall eignet sich Keramik als Werkstoff. Eine weitere Möglichkeit ist die Abschrägung der in Drehrichtung vorderen Enden der Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42, also dort, wo bspw. die männlichen und weiblichen Wälzgeometrien des Hilfskolbens 3 und des Arbeitskolbens 4 aufeinander treffen, damit der männliche Rotationskolben 3, 4 nicht bei Materialausdehnung oder aufgrund von Verschiebung auf der Kante des weiblichen Rotationskolbens 3, 4 aufschlägt. Dadurch ergeben sich die Vorteile einer besseren Abdichtung zu den Seitenwänden der Arbeitskammern 2 auch bei Materialausdehnung. Die Dichtungsabschnitte 32, 33, 35, 36, 42 lassen sich überdies leichter und kostengünstiger austauschen als die Rotationskolben 3, 4. Die Rotationskolben 3, 4 können schmaler ausgeführt werden und in Ergänzung mit den Dichtungsabschnitten 32, 33, 35, 36, 42 flexibler an bestimmte Bedingungen angepasst werden.
In noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist das Gehäuse 5 des erfindungsgemäßen Rotationskolbenmotors nicht nur zur Aufnahme von Rotationskolben 3, 4 ausgebildet, sondern insbesondere auch zum Auffangen und Ableiten von Schmierstoffen S von den Rotationskolben 3, 4 in einen Sammelbehälter oder eine Ölwanne. Die Erfindung nutzt dabei die Zentrifugalkraft der rotierenden Rotationskolben 3, 4, um die auf dem Rotationskolben 3, 4 vorhandenen Schmierstoffe, zum Beispiel Öl der Druckumlaufschmierung, abzuwerfen, aufzufangen und über den Schmierstoffkanal 6 im Gehäuse hinter dem Arbeitskolben 4, zumindest abschnittsweise um den Arbeitskolben 4 herum, oder über Abflussleitungen au ßerhalb des Gehäuses 5 in die Ölwanne abzuleiten. Dabei fängt ein mit Auffangrillen 61 oder Schlitzen versehener Aufnahmeabschnitt 60 im Gehäuse 5 im Bereich der Hilfskolben 3 herunterlaufendes oder -tropfendes Öl ab und leitet es über den Schmierstoffkanal 6 in die Ölwanne. Dadurch wird der Arbeitskolben 4 weniger mit Ölresten kontaminiert und die Arbeitskammern 2 in der Verdich- tungs- und in der Expansionsstufe vor dem Volllaufen mit Öl geschützt (vgl. Ölschlaggefahr beim Hubkolben). Insbesondere bei der vorgesehenen Druckumlaufschmierung sind höhere Drücke und größere Ölmengen möglich, was eine konstantere und sicherere Schmierung bei hohen Drehzahlen ermöglicht.
Der Aufnahmeabschnitt 60 mit Ölfangrillen 61 im Kreisbogenbereich des Gehäuseabschnitts zur Aufnahme des Hilfskolbens 3 begünstigt die Anhaftung des Öls durch Adhäsionskraft und leitet das an die Gehäusewand spritzende Öl kontrolliert an der Gehäusewand entlang in den Sammelbehälter ab. Dadurch wird ein effizientes Ölabflusssystem bewerkstelligt. Auffangleisten und/oder Vertiefungen im seitlichen Bereich des über dem Arbeitskolben 4 liegenden Hilfskolbens 3 führen herunter laufendes oder -tropfendes Öl (z.B. der Gleitlager) ab und leiten es in den Sammelbehälter weiter. Auch hierdurch wird der Arbeitskolben 4 weniger mit Ölresten kontaminiert und die Arbeitskammern 2 in der Verdichtungs- und in der Expansionsstufe vor dem Volllaufen mit Öl geschützt. Überschüssiges Öl ist bei einem Hubkolbenmotor ursächlich für den sog. Ölschlag sowie für schlechte Verbrennung. Bei der Druckumlaufschmierung sind höhere Drücke und größere Ölmengen möglich, was eine konstantere und sicherere Schmierung bei hohen Drehzahlen ermöglicht. Da der Hilfskolben 3 das darüber liegende Gehäuse 5 nicht berührt, ist keine Schmierung erforderlich. Daraus resultieren geringere Probleme mit Reibung, Wärmeausdehnung und Passung. Der Schmierstoffkanal 6 ist dazu ausgelegt, das abtropfende Öl im Ruhezustand wie auch im Betriebszustand kontrolliert abzuleiten, und eine größere Aufnahmefläche für das abgeschleuderte Öl zu schaffen.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich durch beliebige Kombinationen der in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Merkmale. Bezugszeichenliste Rotationskolbenmotor
Arbeitskammer
Hilfskolben
Arbeitskolben
Gehäuse
Schmierstoffkanal
Steuerkonsole
Rotationsachse - Hilfskolben
, 34 Rotationskörper - Hilfskolben
a, 34a axiale Dichtflächen - Hilfskolben
b, 34b radiale Dichtflächen - Hilfskolben
c, 34c Dichtflächen in Umfangsrichtung - Hilfskolben
, 33 Dichtungsabschnitte - Hilfskolben
a, 33a radiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
b, 33b axiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
c, 33c Dichtflächen in Umfangsrichtung - Dichtungsabschnitt Hilfskolbend Dichtlippe - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
, 36 Dichtungsabschnitte - Hilfskolben
a, 36a radiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
b, 36b axiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
c, 36c Dichtflächen in Umfangsrichtung - Dichtungsabschnitt Hilfskolbend, 36d Fasen - Dichtungsabschnitt Hilfskolben
Hohlraum - Hilfskolben
Rotationsachse - Arbeitskolben
Rotationskörper - Arbeitskolben
a radiale Dichtflächen - Arbeitskolben
b axiale Dichtflächen - Arbeitskolben
c Dichtflächen in Umfangsrichtung - Arbeitskolben
Dichtungsabschnitte - Arbeitskolben
a radiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Arbeitskolbenb axiale Dichtflächen - Dichtungsabschnitt Arbeitskolben
c Dichtflächen in Umfangsrichtung - Dichtungsabschnitt Arbeitskolbend Verbindungsabschnitt - Dichtungsabschnitt Arbeitskolbene Dichtlippe - Dichtungsabschnitt Arbeitskolben
Aufnahme - Arbeitskolben
Schieber - Arbeitskolben
Gaseinlass - Gehäuse
Gasauslass - Gehäuse
Aufnahmeabschnitt - Schmierstoff kanal
Rille - Schmierstoffkanal
Wandabschnitte - Schmierstoff kanal
Scheitelpunkt - Schmierstoffkanal
Verzweigung - Schmierstoff kanal
Schmierstoffzuleitung - Schmierstoffkanal
a Kanalabschnitte - Schmierstoffkanal
b Kanalabschnitte - Schmierstoffkanal
c Kanalabschnitte - Schmierstoffkanal
Begrenzungsabschnitt - Schmierstoffkanal
Zündkammer
Hubkolben
Zündkerze
Einlass Zündkammer
Auslass Zündkammer
Exzenter/Nocke

Claims

Ansprüche
Rotationskolbenmotor (1 ) zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer (2), umfassend wenigstens einen Rotationskolben (3, 4) mit wenigstens einem rotierbar gelagerten Rotationskörper (31 , 34) und wenigstens einem gegenüber dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) bewegbaren Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) zur Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer (2).
Rotationskolbenmotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rotationskolben (3, 4) wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der Rotationskolben (3, 4) ist unter Beibehaltung der Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer (2) um eine Rotationsachse (30, 40) rotierbar. b. Wenigstens ein Rotationskolben (3, 4) ist ein Arbeitskolben (4) zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases, um dessen Rotationsachse (30, 40) die wenigstens eine Arbeitskammer (2) ausgebildet ist und/oder rotiert, wobei vorzugsweise wenigstens zwei Arbeitskammern
(2) in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung des Arbeitskolbens (4) hintereinander angeordnet sind. c. Wenigstens ein Rotationskolben (3, 4) ist ein Hilfskolben
(3), der eine zu dem Arbeitskolben (4) komplementäre Geometrie aufweist, um dichtend gegenüber dem Arbeitskolben (4) abzuwälzen, vorzugsweise um wenigstens eine Arbeitskammer (2) mit variablem Volumen zu bilden.
Rotationskolbenmotor (1 ) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Rotationskörper (31 , 34, 41 ) wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der Rotationskörper (31 , 34, 41 ) umfasst wenigstens eine Dichtfläche (31 a/b/c, 34a/b/c, 41 a/b/c), die die wenigstens eine Arbeitskammer (2) während der Rotationsbewegung zumindest zeitweise abdichtet, wobei die Dichtfläche (31 a/b/c, 34a/b/c, 41 a/b/c) vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung vom Rotationskörper (31 , 34, 41 ) abweist. b. Der Rotationskörper (41 ) umfasst wenigstens eine Aufnahme (43) zur Bildung der wenigstens einen Arbeitskammer (2). c. Der Rotationskörper (31 , 34, 41 ) umfasst eine verstellbare Geometrie, so dass das Volumen wenigstens einer Aufnahme (43) zur Bildung der wenigstens einen Arbeitskammer (2) veränderbar ist. d. Der Rotationskörper (31 , 34, 41 ) umfasst wenigstens zwei Aufnahmen (43) zur Bildung jeweils einer Arbeitskammer (2), wobei die Aufnahmen (43) vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind, wobei die Aufnahmen (43) vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung unterschiedlich dimensioniert sind. e. Der Rotationskörper (31 , 34, 41 ) umfasst wenigstens einen gegenüber der wenigstens einen Arbeitskammer (2) abgedichteten Hohlraum (37).
4. Rotationskolbenmotor (1 ) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) umfasst wenigstens eine Dichtfläche (32a/b/c, 33a/b/c, 35a/b/c, 36a/b/c, 42a/b/c), die vorzugsweise in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung vom Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) abweist, wobei die Dichtfläche (32a/b/c, 33a/b/c, 35a/b/c, 36a/b/c, 42a/b/c) vorzugweise als rotationssymmetrische Fläche oder als Abschnitt davon ausgebildet ist, wobei die Dichtfläche (32a/b/c, 33a/b/c, 35a/b/c, 36a/b/c, 42a/b/c) bevorzugt die Form eines Zylindermantels und/oder eines Kegelmantels und/oder eines Kugelmantels oder einer Kreisscheibe oder zumindest eines Abschnitts davon aufweist. b. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) umfasst an einer Dichtfläche (32a/b/c, 33a/b/c, 35a/b/c, 36a/b/c, 42a/b/c) wenigstens eine vorzugsweise linienförmige Dichtlippe (32d, 42e), die in Richtung eines Dichtungspartners (4, 5) vorsteht, wobei die Dichtlippe (32d, 42e) vorzugsweise in Umfangsrichtung wellenförmig oder sinusförmig verläuft, wobei die wellenförmige oder sinusförmige Dichtlippe (32d, 42e) um den Umfang des Rotationskolbens einen Phasenwinkel von wenigstens 180 ° zurücklegt. c. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist zumindest abschnittsweise an einem axialen und/oder radialen Ende des Rotationskörpers (31 , 34) angeordnet, wobei der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) den Rotationskörper (31 , 34) vorzugsweise in axialer Richtung übergreift und sich zumindest abschnittsweise entlang beider axialer Enden des Rotationskörpers (31 , 34) erstreckt. d. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist zwischen einem ersten Zustand, in welchem eine Dichtfläche (32b, 33b, 35b, 36b, 42b) des Dichtungsabschnitts (32, 33, 35, 36, 42) bündig mit oder im Abstand zu einer Dichtfläche (31 b, 34b, 41 b) des Rotationskörpers (3) und/oder mit einer Dichtfläche eines anderen Dichtungsabschnitts (32, 33, 35, 36, 41 ) abschließt, und einem zweiten Zustand, in welchem die Dichtfläche (32b, 33b, 35b, 36b, 42b) des Dichtungsabschnitts (32, 33, 35, 36, 42) weiter in Richtung eines Dichtungspartners (4, 5) über die Dichtfläche (31 b, 34b, 41 b) des Rotationskörpers (31 , 34, 41 ) und/oder über die Dichtfläche eines anderen Dichtungsabschnitts hervorsteht, reversibel überführbar. e. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist entlang einer Linie in einer die Rotationsachse (30, 40) des Rotationskolbens (3, 4) einschließenden Ebene gegenüber dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) bewegbar, vorzugsweise entlang oder parallel zu der Rotationsachse (30, 40) des Rotationskolbens (3, 4) und/oder radial und/oder im spitzen Winkel zu der Rotationsachse (30, 40) des Rotationskolbens (3, 4). f. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist lediglich entlang einer vorzugsweise geraden Linie gegenüber dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) bewegbar, während alle anderen Bewegungen des Dichtungsabschnitts (32, 33, 35, 36, 42) gegenüber dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) gesperrt sind. g. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist unter Beibehaltung der Abdichtung der wenigstens einen Arbeitskammer (2) relativ zu wenigstens einem weiteren Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) und/oder zu dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) bewegbar. h. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist verschieblich am Rotationskörper (31 , 34, 41 ) geführt. i. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) dichtet die wenigstens eine Arbeitskammer (2) in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Um- fangsrichtung ab. j. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist gegenüber dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung den Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) und den Rotationskörper (31 , 34, 41 ) vorzugweise auseinander drückt oder zusammen zieht. k. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist derart ausgebildet, dass er bei Rotation des Rotationskolbens (3, 4) durch die Zentrifugalkraft bewegbar, wobei der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) vorzugweise durch die Zentrifugalkraft von der Rotationsachse (30, 40) des Rotationskolbens (3, 4) beabstandet wird.
I. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) weist an wenigstens einem Ende, vorzugsweise an einem in Drehrichtung des Rotationskolbens (3, 4) vorderen Ende, eine Fase (35d, 36d) auf, um ein Eindringen des Dichtungsabschnitts (32, 33, 35, 36, 42) in eine Komplementärgeometrie eines Dichtungspartners (4, 5) zu erleichtern. m. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist im Wesentlichen ein rotationssymmetrisches Bauteil oder ein Abschnitt davon, wobei der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) vorzugsweise kreissegmentförmig, ringsegmentförmig oder bogenförmig ausgebildet ist. n. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) bildet eine Außenkante des Rotationskolbens (3, 4). o. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) ist in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung formschlüssig an dem Rotationskörper (31 , 34, 41 ) festgelegt. p. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) besteht aus einem hitzebeständigen Material, vorzugweise Keramik. q. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) besteht aus einem duktilen Material, vorzugweise Kupfer. r. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) besteht aus einem porösen Material. s. Der Dichtungsabschnitt (32, 33, 35, 36, 42) besteht aus einem Material, das den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist wie das Gehäuse (5) und/oder wenigstens ein weiterer Rotationskolben (3, 4). t. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) sind in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung benachbart und/oder überlappend angeordnet. u. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) bilden gemeinsam eine durchgehende oder geschlossene oder in sich geschlossene Dichtung. v. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) sind unter Beibehaltung einer durchgehenden oder geschlossenen oder in sich geschlossenen Dichtung relativ zueinander bewegbar. w. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) sind identisch oder symmetrisch oder komplementär zueinander ausgebildet. x. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) dichten die wenigstens eine Arbeitskammer (2) vollständig in axialer Richtung und/oder in radialer Richtung und/oder in Umfassungsrichtung ab. y. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) sind paarweise an entgegen gesetzten axialen Enden des Rotationskörpers (31 , 34, 41 ) angeordnet. z. Wenigstens zwei Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) sind gegeneinander federnd vorgespannt, wobei die federnde Vorspannung die Dichtungsabschnitte (32, 33, 35, 36, 42) vorzugweise auseinander drückt oder zusammen zieht.
5. Rotationskolbenmotor (1 ) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationskolbenmotor (1 ) ein Gehäuse (5) aufweist, welches wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Das Gehäuse (5) umfasst wenigstens einen Einlass, um ein Arbeitsgas in die Arbeitskammer (2) einzulassen. b. Das Gehäuse (5) umfasst wenigstens einen Auslass, um ein Arbeitsgas aus der Arbeitskammer (2) abzulassen. c. Das Gehäuse (5) ist zumindest abschnittsweise spiegelsymmetrisch aufgebaut, vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu einer Ebene, die durch die Rotationsachsen (30, 40) zweier Rotationskolben (3, 4) definiert wird. d. Das Gehäuse (5) umfasst mindestens zwei Teile, vorzugsweise mindestens zwei im Wesentlichen spiegelsymmetrische Teile, bevorzugt mindestens zwei identische Teile, um den Rotationskolben (3, 4) an unterschiedlichen Seiten seines Umfangs abzudecken. e. Das Gehäuse (5) ist im Wesentlichen in einer Ebene, die durch die Rotationsachsen (30, 40) zweier Rotationskolben (3, 4) aufgespannt wird, oder in einer dazu parallelen Ebene, geteilt.
Rotationskolbenmotor (1 ), vorzugsweise nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in wenigstens einer Arbeitskammer (2), mit einem Gehäuse (5) und mit wenigstens einem rotierbar im Gehäuse (5) gelagerten Rotationskolben (3, 4), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (5) wenigstens einen Schmierstoffkanal (6) zur Zufuhr von Schmierstoff (S) zu dem Rotationskolben (3, 4) und/oder zur Abfuhr von Schmierstoff (S) von dem Rotationskolben (3, 4) aufweist.
Rotationskolbenmotor (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoffkanal (6) wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der Schmierstoffkanal (6) führt den Schmierstoff (S) von dem Rotationskolben (3, 4) in einen Schmierstoffbehälter ab. b. Der Schmierstoffkanal (6) ist derart ausgebildet, dass der Schmierstoff (2) sich im Schmierstoffbehälter sammelt. c. Der Schmierstoffkanal (6) verläuft zumindest abschnittsweise, vorzugsweise bogenförmig um den Rotationskolben (3, 4) und/oder um die Arbeitskammer (2) herum. d. Der Schmierstoffkanal (6) ist derart konstruiert, dass der Schmierstoff (S) durch Adhäsion an der Schmierstoffkanalwand haftet. e. Der Schmierstoffkanal (6) ist derart konstruiert, dass der Schmierstoff (S) durch die Gewichtskraft abläuft. f. Der Schmierstoffkanal (6) verläuft zumindest abschnittsweise innerhalb und/oder außerhalb des Gehäuses (5). g. Der Schmierstoffkanal (6) weist in einem Scheitelpunkt (63) oberhalb des Rotationskolbens (3, 4) einen kleineren Krümmungsradius auf als der größte Radius des Rotationskolbens (3, 4), wobei der Schmierstoffkanal (6) unterhalb des Scheitelpunkts (63) vorzugsweise einen größeren Krümmungsradius aufweist als der größte Radius des Rotationskolbens (3, 4). h. Der Schmierstoffkanal (6) weist wenigstens eine Verzweigung (64) auf. i. Der Schmierstoffkanal (6) umfasst wenigstens eine Schmierstoffzuleitung (65) zur Zufuhr von Schmierstoff (S) zu dem Rotationskolben (3, 4), vorzugsweise zu wenigstens einer Lagerstelle (38) des Rotationskolbens (3, 4) und/oder zu wenigstens einer Dichtfläche des Rotationskolbens (3, 4). j. Der Schmierstoffkanal (6) ist Teil eines Schmierstoffkreislaufs, vorzugsweise eines geschlossenen Schmierstoffkreislaufs, wobei der von dem Rotationskolben (3, 4) abgeführte Schmierstoff (S) vorzugsweise gereinigt und dem Rotationskolben (3, 4) wieder zugeführt wird.
8. Rotationskolbenmotor (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmierstoffkanal (6) wenigstens einen Aufnahmeabschnitt (60) zur Aufnahme von Schmierstoff (S) von dem Rotationskolben (3, 4) aufweist, wobei der Aufnahmeabschnitt (60) wenigstens eine der folgenden Anforderungen erfüllt: a. Der Aufnahmeabschnitt (60) öffnet sich zum Rotationskolben (3) hin, vorzugsweise zu wenigstens einer Lagerstelle (38) des Rotationskolbens (3, 4) und/oder zu wenigstens einer Dichtfläche des Rotationskolbens (3, 4). b. Der Aufnahmeabschnitt (60) verläuft zumindest abschnittsweise in Umfangsrich- tung des Rotationskolbens (3, 4). c. Der Aufnahmeabschnitt (60) ist radial außerhalb und axial innerhalb des Rotationskolbens (3, 4), oder radial innerhalb und axial au ßerhalb des Rotationskolbens (3, 4) angeordnet. d. Der Aufnahmeabschnitt (60) ist derart ausgebildet, dass er den durch Zentrifugalkraft vom Rotationskolben (3, 4) abgeworfenen Schmierstoff aufnimmt. e. Der Aufnahmeabschnitt (60) umfasst wenigstens zwei parallele Rillen (61 ), die durch wenigstens einen Wandabschnitt (62) voneinander getrennt sind, wobei sich der Wandabschnitt (62) vorzugsweise im Querschnitt gesehen von einem proximalen Ende zu einem distalen Ende verjüngt oder erweitert, und/oder wobei der Wandabschnitt (62) im Querschnitt gesehen zwischen dem proximalen Ende und dem distalen Ende konkav ausgebildet ist, wobei der Wandabschnitt (62) bevorzugt im Querschnitt gesehen am distalen Ende ein pfeilförmiges Profil aufweist, dessen Spitze von dem proximalen Ende des Wandabschnitts (62) abweist. f. Der Aufnahmeabschnitt (60) umfasst wenigstens zwei parallele Rillen (61 ), die vorzugsweise tiefer als breit sind. g. Der Aufnahmeabschnitt (60) umfasst eine Rückflusssperre, die ein Austreten des bereits aufgenommenen Schmierstoffs (S) verhindert. h. Der Aufnahmeabschnitt (60) ist zur Aufnahme eines dem Rotationskolben (3) durch Druckumlaufschmierung zugeführten Schmierstoffs (S) im Betriebszustand und im Ruhezustand des Rotationskolbenmotors ausgelegt.
9. Verfahren zur Verdichtung und/oder Entspannung eines Arbeitsgases in einem Rotationskolbenmotor (1 ), vorzugsweise in einem Rotationskolbenmotor (1 ) nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Arbeitsgas durch einen Rotationskolben (3, 4) in einer ersten Arbeitskammer (2) verdichtet wird und zur Zündung in eine zweite Arbeitskammer überführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsgas in der zweiten Arbeitskammer mit Kraftstoff beaufschlagt und/oder weiter verdichtet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: a. Das verdichtete Arbeitsgas wird durch den Rotationskolben (3, 4) und/oder durch das Gehäuse (5) des Rotationskolbenmotors (1 ), vorzugsweise radial nach innen, aus der ersten Arbeitskammer (2) in die zweite Arbeitskammer überführt. b. Der Kraftstoff wird vor und/oder während und/oder nach der weiteren Verdichtung in die zweite Arbeitskammer eingespritzt. c. Das Arbeitsgas wird in der zweiten Arbeitskammer durch wenigstens einen Hubkolben weiter verdichtet, wobei der Hubkolben vorzugsweise pneumatisch und/oder hydraulisch und/oder mechanisch, bevorzugt von einer mit der Rotati- onskolbenbewegung gekoppelten Nocken- oder Exzenterwelle, angetrieben wird, wobei der Hubkolben und der Rotationskolben besonders bevorzugt mit gleicher Drehzahl laufen. d. Das Arbeitsgas wird bereits im verdichteten Zustand in die erste Arbeitskammer (2) eingebracht, wobei die Verdichtung vorzugsweise durch einen Turbolader erfolgt. e. Das Arbeitsgas wird in der zweiten Arbeitskammer durch Beaufschlagung mit Kraftstoff und/oder durch weitere Verdichtung zur Zündung gebracht. f. Das gezündete Arbeitsgas wird durch den Rotationskolben (3, 4) und/oder durch das Gehäuse (5) des Rotationskolbenmotors (1 ), vorzugsweise radial nach außen, aus der zweiten Arbeitskammer in die Arbeitskammer (2) überführt.
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