[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kreiskolbenmotor. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung einen Verbrennungs-Kreiskolbenmotor mit einem Gehäuse, welches
einen ringförmig umlaufenden Zylinderraum aufweist.
STAND DER TECHNIK
[0002] Im Bereich der Verbrennungsmotoren sind sowohl Hubkolbenmotoren als auch Rotationsoder
Kreiskolbenmotoren bekannt. Bei Hubkolbenmotoren wie beispielsweise dem Ottomotor
bewirkt die Kraftstoffverbrennung eine lineare Kolbenbewegung, welche über eine Pleuelstange
in eine Drehbewegung einer Antriebswelle umgesetzt wird. Bei Kreiskolbenmotoren wie
beispielsweise dem Wankelmotor führen hingegen alle Teile, die mechanische Arbeit
verrichten, eine periodische Drehbewegung aus.
[0003] Trotz der Vorteile der Kreiskolbenmotoren wie höhere Laufruhe, einfachere Bauweise
und geringeres Leistungsgewicht konnten sie sich auf Grund des höheren Öl- und Kraftstoffverbrauchs
nicht gegen die vorherrschenden Hubkolbenmotoren durchsetzen.
ZUSAMMENFASSUNG
[0004] Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Kreiskolbenmotor,
welcher neben hoher Laufruhe, einfacher Bauweise und geringem Leistungsgewicht auch
einen hohen Wirkungsgrad und einen geringeren Ölverbrauch aufweist, und ein Verfahren
zum Betrieb des selbigen bereitzustellen.
[0005] Diese Aufgabe wird durch einen Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 und ein Verfahren
zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 8 gelöst.
[0006] Der erfindungsgemäße Kreiskolbenmotor umfasst ein Gehäuse, welches einen ringförmig
umlaufenden oder torusförmigen Zylinderraum aufweist. In dem ringförmig umlaufenden
Zylinderraum rotieren im Betrieb ein Antriebs-Kolben und ein Verdichter-Kolben, welche
um eine Drehachse drehbar in dem Gehäuse gelagert sind. Der Kreiskolbenmotor umfasst
ferner einen Einlass- oder Ansaugeingang, einen Auslass- oder Ausstoßausgang, eine
Einspritzdüse zum Einspritzen von Kraftstoff in den ringförmig umlaufenden Zylinderraum
und ggf. eine Zündkerze.
[0007] Der Verdichter-Kolben ist mit einer Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung gekoppelt,
welche dazu eingerichtet ist, den Verdichter-Kolben mit einem Drehmoment zu beaufschlagen.
Der Antriebs-Kolben ist mit einer Antriebswelle gekoppelt.
[0008] Zwischen den Antriebs-Kolben und den Verdichter-Kolben eingespritzter und gezündeter
oder zur Selbstzündung gebrachter Kraftstoff führt zur Bildung eines Verbrennungsgemischs
oder Abgases und zu einer Beaufschlagung des Antriebs-Kolbens mit einem Druck und
einer resultierenden, in Umfangsrichtung wirkenden Kraft in einer vorgegebenen Drehrichtung,
welche ein Antriebsmoment an der Antriebswelle bereitstellt. Der auf den Verdichter-Kolben
entgegen der Drehrichtung wirkende, ebenso große Druck führt hingegen zu einer Bremsung
des Verdichter-Kolbens, so dass eine Tendenz besteht, das Volumen zwischen Antriebs-Kolben
und Verdichter-Kolben zu vergrößern.
[0009] Da der Druck des Verbrennungsgemischs auf den Antriebs-Kolben und den Verdichter-Kolben
sowohl bei einer Vergrößerung des Volumens zwischen dem Verdichter-Kolben und dem
Antriebs-Kolben als auch bei Ausstoß von Verbrennungsgemisch oder Abgases abnimmt,
wird der Verdichter-Kolben, welcher von der Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung
mit einem Drehmoment in Drehrichtung des Antriebs-Kolbens beaufschlagt wird, in Drehrichtung
beschleunigt, sobald das durch den Druck auf den Verdichter-Kolben wirkende Drehmoment
nach einem Ausstoßvorgang geringer ist als das Drehmoment, mit dem der Verdichter-Kolben
von der Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung beaufschlagt wird.
[0010] Gleichzeitig wird der Antriebs-Kolben bei Belastung der Antriebswelle mit einem Lastmoment
gebremst. Durch Beschleunigung des Verdichter-Kolbens und Bremsung des Antriebs-Kolbens
wird der Ausgangszustand, d. h. eine Drehung von Antriebs-Kolben und Verdichter-Kolben
in Drehrichtung mit den ursprünglichen Winkelgeschwindigkeiten und gegenseitigem Abstand,
wieder hergestellt und ein neuer Verbrennungszyklus kann eingeleitet werden.
[0011] Vorzugsweise umfasst der Kreiskolbenmotor eine Zündkerze, welche dazu eingerichtet
ist, den Kraftstoff zu zünden.
[0012] Die Verwendung einer Zündkerze ermöglicht den Verzicht auf aufwändige Einspritztechnologie.
[0013] Vorzugsweise ist die Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung, welche dazu eingerichtet
ist, den Verdichter-Kolben mit einem Drehmoment zu beaufschlagen, ein Elektromotor,
mit Generatorfunktion, der nachfolgend als Elektromotor bezeichnet ist.
[0014] Durch die Verwendung eines solchen Elektromotors kann der Verdichter-Kolben mit einem
gesteuerten Antriebs- oder Bremsmoment, in oder entgegen der Drehrichtung, beaufschlagt
werden, wodurch die Position des Verdichter-Kolbens und der Abstand sowie die Drehgeschwindigkeit
des Verdichter-Kolbens relativ zum Antriebs-Kolben geregelt werden kann.
[0015] Vorzugsweise ist der Elektromotor über elektrische Kontakte mit einem Energiespeicher
verbunden.
[0016] Durch die Kopplung mit einem Energiespeicher kann die Erzeugung und der Verbrauch
elektrischer Energie entkoppelt werden.
[0017] Vorzugsweise ist der Elektromotor dazu eingerichtet, Energie aus dem Energiespeicher
zu entnehmen und den Verdichter-Kolben in Rotationsrichtung anzutreiben oder zu beschleunigen.
[0018] Nachdem der Verdichter-Kolben beim Zünden des Gemisches abgebremst wird, kann der
Verdichter-Kolben somit durch den Elektromotor, welcher elektrische Energie aus dem
Energiespeicher entnimmt, in Rotationsrichtung angetrieben oder beschleunigt werden,
so dass der Raum zwischen Verdichter-Kolben und Antriebs-Kolben gesteuert werden,
d.h. konstant gehalten oder kontrolliert vergrößert oder verkleinert werden kann.
[0019] Vorzugsweise ist der Elektromotor dazu eingerichtet, einen aus der Zündung des Kraftstoffs
resultierenden Rückstoß, welcher den Verdichter-Kolben als Reaktionskraft auf den
in Drehrichtung beschleunigten Antriebskolben entgegen der Drehrichtung abbremst bzw.
beschleunigt , in elektrische Energie umzuwandeln und die erzeugte elektrische Energie
dem Energiespeicher zuzuführen.
[0020] Dem Antrieb oder der Abbremsung des Verdichter-Kolbens entgegen der Drehrichtung
wird somit durch den Betrieb des Elektromotors als Generator entgegengewirkt, und
die dabei erzeugte elektrische Energie, die dem Energiespeicher zugeführt wird, kann
dazu verwendet werden, den Verdichter-Kolben nach Absinken des Drucks des Verbrennungsgemisches
zwischen den Kolben in Drehrichtung zu beschleunigen.
[0021] Vorzugsweise ist der Energiespeicher ein Kondensator. Durch die Verwendung eines
Kondensators können die beim Zwischenspeichern der erzeugten elektrische Energie auftretenden
Verluste gering gehalten werden.
[0022] Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie umfasst den Schritt
des Unterteilens eines torusförmigen Zylinderraums, in dem ein Antriebs-Kolben und
ein Verdichter-Kolben um eine Drehachse in einer Drehrichtung rotieren, in eine erste
sich in Umfangsrichtung des Zylinderraumes entstehende Kammer und eine zweite sich
in Umfangsrichtung erstreckende Kammer, die jeweils zwischen dem Antriebs-Kolben und
dem Verdichter-Kolben gebildet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst des
Weiteren die Schritte des Zuführens von Sauerstoff in die erste Kammer, des Einspritzens
von Kraftstoff in die erste Kammer, des Zündens des Kraftstoffs in der ersten Kammer
und des Abführens von Abgasen aus der ersten Kammer.
[0023] Durch das Zünden des Kraftstoffs in der ersten Kammer wird der Antriebs-Kolben mit
einem in Drehrichtung wirkenden Druck beaufschlagt, mit dem ein Antriebsmoment an
einer mit dem Antriebs-Kolben verbundenen Antriebswelle erzeugt werden kann.
[0024] Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie ferner den Schritt
des Abstützens des Verdichter-Kolbens relativ zum Gehäuse mit einem in Umfangsrichtung
entgegen der Drehrichtung wirkenden Drehmoment, gegen den durch das Zünden des Kraftstoffs
in der ersten Kammer erzeugten Druck. Das Abstützen kann beispielsweise durch eine
mechanische Vorrichtung wie z. B. einen Freilauf erfolgen oder aber durch ein gesteuertes
Drehmoment eines Elektromotors oder durch ein gesteuertes Bremsmoment eines Generators.
[0025] Vorzugsweise umfasst der Schritt des Abstützens den Schritt des Umwandeins einer
auf den Verdichter-Kolben wirkenden Druckkraft in elektrische Energie mittels eines
an eine Verdichterwelle des Verdichter-Kolbens gekoppelten Generators, insbesondere
mittels eines Elektromotors mit Generatorfunktion.
[0026] Durch den an die Verdichterwelle des Verdichter-Kolbens gekoppelten Elektromotor
mit Generatorfunktion kann die Druckkraft oder Drückenergie in elektrische Energie
umgewandelt werden, welche nach Absinken des Drucks in der ersten Kammer zum Antrieb
oder zur Beschleunigung des Verdichter-Kolbens in Drehrichtungverwendet werden kann.
[0027] Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie ferner den Schritt
des Verringerns einer Winkelgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens in Drehrichtung
des Antriebs-Kolbens, wobei ein Volumen der ersten Kammer vergrößert wird, zum Zuführen
von Sauerstoff in die erste Kammer.
[0028] Das Ansaugen von Sauerstoff in die erste Kammer kann somit durch eine Drehung des
Verdichter-Kolbens mit einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als die Winkelgeschwindigkeit
des Antriebs-Kolbens erfolgen.
[0029] Vorzugsweise wird das Verringern der Winkelgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens
durch das Betreiben des Generators bewirkt.
[0030] Durch die Verwendung des Generators kann die Rotationsenergie des Verdichter-Kolbens
rekuperiert werden.
[0031] Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie ferner den Schritt
des Drehens des Verdichter-Kolbens in Drehrichtung mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit
als die des Antriebs-Kolbens, wobei das Volumen der ersten Kammer reduziert wird,
zum Verdichten des Kraftstoffs in der ersten Kammer, in einer Verdichterposition der
Verdichter- und Antriebskolben.
[0032] Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie ferner den Schritt
des Drehens der des Verdichter-Kolbens in Drehrichtung mit einer größeren Winkelgeschwindigkeit
als die des Antriebs-Kolbens, wobei das Volumen der ersten Kammer reduziert wird,
zum Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer, in einer Ausstoßposition der Verdichter-
und Antriebskolben.
[0033] Das Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer kann somit durch das Beschleunigen
des Verdichter-Kolbens relativ zum Antriebs-Kolben erfolgen.
[0034] Vorzugsweise wird das Beschleunigen des Verdichter-Kolbens durch das Betreiben des
Generators als Elektromotor bewirkt.
[0035] Die Doppelfunktion als Generator und Elektromotor ermöglicht eine besonders einfache
und ressourceneffiziente Bauweise des Motors.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0036]
Figs. 1 und 2 zeigen schematische Schnitt-Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors; und
Figs. 3 bis 7 zeigen schematische Darstellungen eines Verbrennungszyklusses der bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
[0037] Figs. 1 und 2 zeigen schematische Schnitt-Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors 10. Der Kreiskolbenmotor 10 umfasst zwei halbtorusförmige
Gehäuseschalen 12, 14, die entlang einer Verbindungsebene 12a abgedichtet miteinander
verbunden sind und einen Motorblock 16 bilden. Eine Gehäuseschale 12 ist mit einem
zylindrischen Motorgehäuse 13 verbunden. In einem torus- oder ringförmigen Zylinderraum
18 des Motorblocks 16 rotieren ein Antriebs-Kolben 20 und ein Verdichter-Kolben 22
um eine gemeinsame Drehachse 18a, die gleichzeitig eine Symetrieachse des Zylinderraumes
18 bildet. Der Antriebs-Kolben 20 ist mit einer Antriebswelle 24 fest verbunden, die
um die Drehachse 18a drehbar im Motorblock 16 gelagert ist. Der Verdichter-Kolben
22 ist mit einer rohrförmigen Verdichterwelle 26 fest verbunden, die ebenfalls um
die Achse drehbar im Motorblock 16 gelagert ist und einen Abschnitt der Antriebswelle
24 ummantelt.
[0038] Eine Hülle 18b des ringförmigen Zylinderraums 18 weist in Umfangsrichtung gesehen
eine kreisförmige Außenkontur auf und ist durch Stege mit den Gehäuseschalen 12, 14
verbunden. Die Hülle 18b wird im Betrieb teilweise von Kühlflüssigkeit umspült, welche
zwischen der Hülle 18b und den kreisförmigen Gehäuseschalen 12, 14 zwischen den Stegen
hindurchgeleitet werden kann. Antriebswelle 24 und Verdichterwelle 26 sind mit Dichtungen
38 versehen, welche das Eindringen von Kühlflüssigkeit in den ringförmigen Zylinderraum
18 verhindern.
[0039] Die Antriebswelle 24 und die Verdichterwelle 26 verlaufen axial durch bzw. um die
Drehachse 18a und sind mit einem Elektromotor 28 gekoppelt. Dabei bilden von der Antriebswelle
24 und der Verdichterwelle 26 sich in radialer Richtung erstreckende Ausleger Elektromotor-Rotoren
30, 32 aus. Der Elektromotor-Rotor 30 weist mehrere Permanentmagneten auf und ist
mit der Antriebswelle 24 fest verbunden. Der Elektromotor-Rotor 32 weist mehrere Spulen
auf und ist mit der Verdichterwelle 26 des Verdichter-Kolbens 22 fest verbunden.
[0040] Der Elektromotor-Stator 34, mit dem die Elektromotor-Rotoren 30, 32 im Betrieb in
Wirkverbindung stehen, weist mehrere Spulen auf und ist mit dem Motorblock 16 fest
verbunden. Zudem weist der Elektromotor-Stator 34 elektrische Kontakte 36 zur Verbindung
mit einem Kondensator auf, durch den der Elektromotor 28 mit Energie versorgt wird
und den der Elektromotor 28 im Generatorbetrieb auflädt. Der Kondensator kann beispielsweise
ein Ultrakondensator oder ein Doppelschichtkondensator sein. Der Kondensator kann
zudem mit einer Batterie oder einem Stromnetz gekoppelt sein, die bzw. das überschüssige
Ladung aus dem Kondensator entnimmt und den Kondensator bei zu geringer Ladung auflädt.
[0041] Die Antriebswelle 24 ist mit einem Schwungrad 40 verbunden. Des Weiteren sind jeweils
an der Antriebswelle 24 und der Verdichterwelle 26 Vorrichtungen 42 zur Abfrage einer
Winkelposition vorgesehen. Somit können durch die Vorrichtungen 42 zur Abfrage einer
Winkelposition jederzeit die absoluten Lagen des Antriebs-Kolbens 20 und des Verdichter-Kolbens
22 und deren relative Lage bestimmt und durch entsprechende Ansteuerung des Elektromotors
28 geregelt werden. Alternativ zu dem in Fig. 1 gezeigten Elektromotor-Stator 34,
der im Betrieb in Wirkverbindung mit beiden Elektromotor-Rotor 30, 32 steht, können
auch zwei Elektromotor-Statoren 34 vorgesehen sein, wobei im Betrieb jeder Elektromotor-Rotor
30, 32 mit einem der Elektromotor-Statoren 34 zusammenwirkt.
[0042] Der Verbrennungszyklus der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors
wird im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen in den Figs. 3 bis 7 beschrieben.
[0043] In Fig. 3 sind Antriebs-Kolben 20 und Verdichter-Kolben 22 in einer Startposition
gezeigt. Beim Anlassen des Motors können der Antriebs-Kolben 20 und der Verdichter-Kolben
22 durch den Elektromotor 28 in die Startposition gedreht werden. Im Betrieb muss
der Elektromotor 28 die Drehung des Antriebs-Kolbens 20 und des Verdichter-Kolbens
22 nur bei Bedarf korrigieren. Dazu kann beispielsweise eine Datenverarbeitungseinrichtung
oder Motorsteuerung Signale von den Vorrichtungen 42 zur Abfrage der Winkelpositionen
empfangen und dementsprechend den Betrieb des Elektromotors 28 als Motor oder Generator
steuern.
[0044] Sind Antriebs-Kolben 20 und Verdichter-Kolben 22 in der Startposition, dreht der
Elektromotor 28 den Antriebs-Kolben 20 und den Verdichter-Kolben 22 in die durch den
Pfeil in Fig. 3 gezeigte Drehrichtung bzw. drehen sich der Antriebs-Kolben 20 und
der Verdichter-Kolben 22 durch die Massenträgheit in Drehrichtung.
[0045] Fig. 4 zeigt einen Zustand, in dem sich der Verdichter-Kolben 22 langsamer oder mit
einer kleineren Winkelgeschwindigkeit als der Antriebs-Kolben 20 dreht, so dass der
Antriebs-Kolben 20 dem Verdichter-Kolben 22 vorauseilt und sich zwischen dem Antriebs-Kolben
20 und dem Verdichter-Kolben 22 eine größer werdende Kammer 44 ausbildet. Die langsamere
Drehung des Verdichter-Kolbens 22 kann ausgehend von einer Drehung mit gleichen Winkelgeschwindigkeit
durch Abbremsen des Verdichter-Kolbens 22 oder durch Beschleunigen des Antriebs-Kolbens
20 erreicht werden.
[0046] Durch Vergrößerung des Volumens der Kammer 44 wird Luft durch den Ansaugeingang 46
in die Kammer 44 eingesaugt, wenn sich die Kolben und die Kammer 44 an einer Ausgangsposition
befinden. Anstatt eines einzelnen Ansaugeingangs 46 können auch mehrere Ansaugschlitze
und vorzugsweise Ansauglängsschlitze vorgesehen sein. Zudem kann der Ansaugeingang
46 mit einem Ventil ausgelegt sein, das abhängig von der Position des Verdichter-Kolbens
22 mittels einer Ventilsteuerung geöffnet oder geschlossen wird. Anstatt eines Ventils
können auch mehrere Ventile vorgesehen sein, so dass jeder Längsschlitz durch ein
Ventil, beispielsweise ein Lippenventil, gesteuert wird.
[0047] Ferner können entlang eines Längsschlitzes ein oder mehrere verschiebbare Schieber
vorgesehen sein. Ferner können die Ventile elektrisch, hydraulisch oder mechanisch
gesteuert werden. Zudem kann eine Zuführung komprimierter Luft oder eines komprimierten
Luft-GasGemisches vorgesehen sein. Der Grad der Zuführung von Luft, komprimierter
Luft oder komprimiertem Luft-Gas-Gemisch kann dabei in Abhängigkeit von einem am Antriebs-Kolben
22 zu erbringenden Lastmoment gesteuert werden.
[0048] Nach dem Zuführen von Luft oder Luft-Gasgemisch wird, wie in Fig. 5 gezeigt, der
Verdichter-Kolben 22, nachdem er den Bereich des Ansaugschlitzes 46 verlassen hat,
in Drehrichtung beschleunigt, und/oder der Antriebskolben verzögert, um das Kammervolumen
zu verringern. Durch das Verringern des Kammervolumens wird die in der Kammer 44 befindliche
Luft bzw. das Luft-Gasgemisch verdichtet. Der Grad der Verdichtung kann dabei in Abhängigkeit
von einem am Antriebs-Kolben 22 zu erbringenden Lastmoment gesteuert werden. In die
Kammer 44 wird dann an einer vorbestimmten Umfangsposition oder Drehstellung der Kammer
44 oder der Antriebskolben und des Verdichterkolbens oder einer Einspritzstellung
mittels einer Einspritzdüse 48 Kraftstoff eingespritzt. Das entstehende Gasgemisch
wird ggf. weiter verdichtet, indem der Abstand zwischen Verdichter-Kolben 22 und Antriebs-Kolben
20 weiter verringert wird.
[0049] Für den Fall, dass der Rotationskolbenmotor 10 mit Erdgas oder Biogas oder allgemein
mit gasförmigem Kraftstoff betrieben wird, kann anstatt der getrennten Zuführung von
Luft bzw. Luft-Gasgemisch und Kraftstoff auch eine Zuführung von einem Gemisch aus
gasförmigem Kraftstoff und Luft oder Luft-Gasgemisch erfolgen. Der Begriff Einspritzdüse
48 wie er in der Beschreibung und den Ansprüchen verwendet wird, soll somit auch solche
Einrichtungen umfassen, welche dazu geeignet sind, der Kammer 44 Erdgas oder Biogas
zuzuführen und allgemein jegliche Einrichtungen, welche dazu geeignet sind, der Kammer
44 Kraftstoff zuzuführen.
[0050] Anschließend wird das Gemisch, wie in Fig. 6 gezeigt, durch eine Zündkerze 50 gezündet,
wobei sich die Kolben und die Kammer 44 in einer Zündstellung befinden. Die durch
das Zünden des Kraftstoffs verursachte Expansion bewirkt einen Druckanstieg in der
Kammer 44. Der Druckanstieg in der Kammer 44 bewirkt eine Vergrößerung des Drehmoments,
das am Antriebs-Kolben 20 in Drehrichtung wirkt, wodurch die Drehung des Antriebs-Kolbens
20 in Drehrichtung beschleunigt werden kann. Der Druckanstieg in der Kammer 44 bewirkt
ferner eine Vergrößerung des Drehmoments, das am Verdichter-Kolben 20 entgegen der
Drehrichtung wirkt, wodurch die Drehung des Antriebs-Kolbens 20 in Drehrichtung tendenziell
gebremst wird.
[0051] Das auf den Verdichter-Kolben 22 wirkende Drehmoment kann entweder über eine mechanische
Einrichtung wie beispielsweise einen Freilauf kompensiert werden, indem der Verdichterkolben
mechanisch an einer Drehung entgegen der Drehrichtung gehindert wird, oder zum Erzeugen
von elektrischer Energie verwendet werden, indem der den Verdichter-Kolben 22 antreibende
Elektromotor 28 auf Generatorbetrieb umgeschaltet wird. Alternativ kann der Verdichterkolben
unter Einsatz elektrischer Energie in Drehrichtung angetrieben werden, um die Expansionsenergie
des Verbrennungsgemischs in der Kammer 44 in eine angetriebene Bewegung des Antriebskolbens
umzusetzen.
[0052] Durch die Vergrößerung des Abstandes zwischen Antriebs-Kolben 20 und Verdichter-Kolben
22 sinkt der Druck in der Kammer 44 und die auf den Antriebs-Kolben 20 in Drehrichtung
und den Verdichter-Kolben 22 entgegen der Drehrichtung wirkenden Drehmomente werden
verringert. In Folge des verringerten auf den Verdichter-Kolben 22 wirkenden Drehmoments
entgegen der Drehrichtung kann der Verdichter-Kolben 22 durch Umschalten des Elektromotors
28 vom Generatorbetrieb in den antreibenden Betrieb mit geringem Energieaufwand in
die Drehrichtung beschleunigt werden.
[0053] Durch das Beschleunigen des Verdichter-Kolbens 22 in Richtung der ursprünglichen
Drehrichtung werden, wie in Fig. 7 gezeigt, die Kammer 44 verkleinert und die Abgase
über einen oder mehrere Auspuffschlitze 52 aus der Kammer 44 herausgedrückt, so dass
ein neuer Verbrennungszyklus gestartet werden kann.
[0054] Wird der Durchmesser des Zylinderraums des Kreiskolbenmotors 10 bezüglich der Drehachse
hinreichend groß ausgeführt, können mehrere Zündungen oder Arbeitstakte während einer
einzelnen Antriebswellen-Umdrehung durchgeführt werden. Somit kann die Notwendigkeit,
mehrere Zylinderblöcke vorzusehen, vermieden werden. Bei entsprechender Steuerung
des Verdichter-Kolbens 22 und des Antriebskolbens 20 kann auch das Selbstzünder-Prinzip
herkömmlicher Dieselmotoren übernommen werden, indem Luft angesaugt, stark verdichtet
und in die heiße verdichtete Luft Kraftstoff zur Selbstentzündung eingespritzt wird.
[0055] Ferner ist vorgesehen, dass der Kreiskolbenmotor 10 bei Bedarf in einen Freilaufbetrieb
wechselt, in dem Antriebs-Kolben 20 und Verdichter-Kolben 22 bei im Wesentlichen festem
gegenseitigen Abstand in dem Zylinderraum rotieren, ohne dass Luft und Kraftstoff
zugeführt oder gezündet werden. Der Freilaufbetrieb kann beispielsweise bei Verwendung
in einem Kraftfahrzeug dazu dienen beim "Gas Wegnehmen" Kraftstoff einzusparen.
[0056] Da der Kreiskolbenmotor 10 als verschleißbehaftete Teile nur den Antriebs-Kolben
20 und den Verdichter-Kolben 22 aufweist, kann zudem ein geringes Gewicht und geringer
Verschleiß des Kreiskolbenmotors 10 erreicht werden. Da Antriebs-Kolben 20 und Verdichter-Kolben
22 in der Regel nur relative geringer gegenläufige Bewegungen ausführen, kann ein
ruhiger Lauf realisiert werden. Außerdem benötigt ein mit dem Kreiskolbenmotor 10
ausgerüstetes Kraftfahrzeug keine separate Lichtmaschine, da der Elektromotor 28 im
Generatorbetrieb elektrische Energie erzeugt. Wird die Antriebs-Welle 24 zudem mit
einem Generator gekoppelt oder ist die Antriebs-Welle 24 mit einem Generator koppelbar,
kann der Kreiskolbenmotor 10 auch für Hybrid-Kraftfahrzeuge eingesetzt werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0057]
- 10
- Kreiskolbenmotor
- 12
- Gehäuseschale
- 12a
- Verbindungsebene
- 13
- Motorgehäuse
- 14
- Gehäuseschale
- 16
- Motorblock
- 18
- Zylinderraum
- 18a
- Drehachse
- 18b
- Hülle
- 20
- Antriebs-Kolben
- 22
- Verdichter-Kolben
- 24
- Antriebswelle
- 26
- Verdichterwelle
- 28
- Elektromotor
- 30,32
- Elektromotor-Rotoren
- 34
- Elektromotor-Stator
- 36
- Elektrische Kontakte
- 38
- Dichtungen
- 40
- Schwungrad
- 42
- Vorrichtung zur Abfrage einer Winkelposition
- 44
- Kammer
- 46
- Ansaugeingang
- 48
- Einspritzdüse
- 50
- Zündkerze
- 52
- Auspuffschlitze
1. Kreiskolbenmotor (10), umfassend:
ein Gehäuse (16), welches einen torusförmigen Zylinderraum (18) mit einer Drehachse
(18a) und einem Ansaugeingang (46) und einem Ausstoßausgang (52) aufweist;
einen Antriebs-Kolben (20) und einen Verdichter-Kolben (22), welche um die Drehachse
(18a) drehbar in dem Gehäuse (16) gelagert sind und dazu eingerichtet sind, in dem
torusförmigen Zylinderraum (18) zu rotieren; und
eine Einspritzdüse (48), welche dazu eingerichtet ist, Kraftstoff in den torusförmigen
Zylinderraum (18) einzuspritzen;
wobei der Verdichter-Kolben (22) mit einer Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung gekoppelt
ist, welche dazu eingerichtet ist, den Verdichter-Kolben (22) mit einem gesteuerten
Drehmoment zu beaufschlagen; und
wobei der Antriebs-Kolben (20) drehfest mit einer um die Drehachse (18a) drehbar gelagerten
Antriebswelle (24) gekoppelt ist.
2. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Zündkerze (50), welche
dazu eingerichtet ist, den Kraftstoff zu zünden.
3. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Verdichter-Kolben-Antriebseinrichtung
ein Elektromotor (28) ist.
4. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 3, wobei der Elektromotor (28) mit einem Energiespeicher
verbunden ist.
5. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 4, wobei der Elektromotor (28) dazu eingerichtet
ist, Energie aus dem Energiespeicher zu entnehmen und den Verdichter-Kolben (22) in
einer Drehrichtung zu beschleunigen.
6. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 5, wobei der Elektromotor (28) dazu eingerichtet
ist, einen aus der Zündung des Kraftstoffs resultierenden Rückstoß, welcher den Verdichter-Kolben
(22) entgegen der Drehrichtung antreibt, in elektrische Energie umzuwandeln und diese
dem Energiespeicher zuzuführen.
7. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 6, wobei der Energiespeicher ein Kondensator
ist.
8. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie, umfassend die Schritte:
Unterteilen eines ringförmigen Zylinderraums (18), in dem ein Antriebs-Kolben (20)
und ein Verdichter-Kolben (22) zur Drehung um eine gemeinsame Achse aufgenommen sind,
in eine erste Kammer (44) und eine zweite Kammer, die jeweils zwischen dem Antriebs-Kolben
(20) und dem Verdichter-Kolben (22) gebildet werden;
Zuführen von Sauerstoff in die erste Kammer (44);
Einspritzen von Kraftstoff in die erste Kammer (44);
Zünden des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44); und
Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer (44).
9. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 8, ferner umfassend den
Schritt:
Abstützen des Verdichter-Kolbens (22) relativ zum Gehäuse (16), gegen den durch das
Zünden des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44) erzeugten Rückstoß.
10. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 9, wobei der Schritt des
Abstützens umfasst:
Umwandeln einer auf den Verdichter-Kolben (22) wirkenden Rückstoßenergie in elektrische
Energie mittels eines an eine Welle des Verdichter-Kolbens (22) gekoppelten Generators.
11. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 10, ferner umfassend den
Schritt:
Verringern einer Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei ein Volumen der ersten Kammer (44) vergrößert wird, zum
Zuführen von Sauerstoff in die erste Kammer (44).
12. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 11, wobei das Verringern
der Rotationsgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Rotationsrichtung des
Antriebs-Kolbens (20) durch das Betreiben des Generators bewirkt wird.
13. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 12, ferner umfassend den
Schritt:
Vergrößern der Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei das Volumen der ersten Kammer (44) reduziert wird, zum
Verdichten des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44).
13. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 12, ferner umfassend den
Schritt:
Vergrößern der Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei das Volumen der ersten Kammer (44) reduziert wird, zum
Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer (44).
15. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 12 oder 14, wobei das Beschleunigen
des Verdichter-Kolbens (22) durch das Betreiben des Generators als Elektromotor (28)
bewirkt wird.
Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.
1. Kreiskolbenmotor (10), umfassend:
ein Gehäuse (16), welches einen torusförmigen Zylinderraum (18) mit einer Drehachse
(18a) und einem Ansaugeingang (46) und einem Ausstoßausgang (52) aufweist;
einen Antriebs-Kolben (20) und einen Verdichter-Kolben (22), welche um die Drehachse
(18a) drehbar in dem Gehäuse (16) gelagert sind und dazu eingerichtet sind, in dem
torusförmigen Zylinderraum (18) zu rotieren; und
eine Einspritzdüse (48), welche dazu eingerichtet ist, Kraftstoff in den torusförmigen
Zylinderraum (18) einzuspritzen;
wobei der Verdichter-Kolben (22) mit einem Elek-tromotor (28) gekoppelt ist, welcher
mit einem Energiespeicher verbunden und dazu eingerichtet ist, den Verdichter-Kolben
(22) mit einem gesteuerten Drehmoment zu beaufschlagen,
wobei der Antriebs-Kolben (20) drehfest mit einer um die Drehachse (18a) drehbar gelagerten
Antriebswelle (24) gekoppelt ist,
wobei der Elektromotor (28) dazu eingerichtet ist, Energie aus dem Energiespeicher
zu entnehmen und den Verdichter-Kolben (22) in einer Drehrichtung zu beschleunigen,
dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (28) dazu eingerichtet ist,
einen aus der Zündung des Kraftstoffs resultierenden Rückstoß, welcher den VerdichterKolben
(22) entgegen der Drehrichtung antreibt, in elektrische Energie umzuwandeln und diese
dem Energiespeicher zuzuführen.
2. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Zündkerze (50), welche
dazu eingerichtet ist, den Kraftstoff zu zünden.
3. Kreiskolbenmotor (10) nach Anspruch1, wobei der Energiespeicher ein Kondensator ist.
4. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie, umfassend die Schritte:
Unterteilen eines ringförmigen Zylinderraums (18), in dem ein Antriebs-Kolben (20)
und ein Verdichter-Kolben (22) zur Drehung um eine gemeinsame Achse aufgenommen sind,
in eine erste Kammer (44) und eine zweite Kammer, die jeweils zwischen dem Antriebs-Kolben
(20) und dem Verdichter-Kolben (22) gebildet werden;
Zuführen von Sauerstoff in die erste Kammer (44);
Einspritzen von Kraftstoff in die erste Kammer (44);
Zünden des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44);
Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer (44);
Abstützen des Verdichter-Kolbens (22) relativ zum Gehäuse (16) gegen den durch das
Zünden des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44) erzeugten Rückstoß durch einen an
eine Welle des Verdichter-Kolbens (22) gekoppelten Elektromotor (28),
dadurch gekennzeichnet. dass eine auf den Verdichter-Kolben (22) wirkende Rückstoßenergie durch Betreiben des
Elektromotors (28) als Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
5. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch4, ferner umfassend den Schritt:
Verringern einer Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei ein Volumen der ersten Kammer (44) vergrößert wird, zum
Zuführen von Sauerstoff in die erste Kammer (44).
6. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch5, wobei das Verringern der
Rotationsgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Rotationsrichtung des Antriebs-Kolbens
(20) durch das Betreiben des Elektromotors (28) als Generator bewirkt wird.
7. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch6, ferner umfassend den Schritt:
Vergrößern der Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei das Volumen der ersten Kammer (44) reduziert wird, zum
Verdichten des Kraftstoffs in der ersten Kammer (44).
8. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch6, ferner umfassend den Schritt:
Vergrößern der Drehgeschwindigkeit des Verdichter-Kolbens (22) in Drehrichtung des
Antriebs-Kolbens (20), wobei das Volumen der ersten Kammer (44) reduziert wird, zum
Abführen von Abgasen aus der ersten Kammer (44).
9. Verfahren zum Erzeugen mechanischer Energie nach Anspruch 6 oder8, wobei das Beschleunigen
des Verdichter-Kolbens (22) durch den Elektromotor (28) bewirkt wird.