Digitalmotor (5-Takt-Rotationskolbenmotor)

Einleitung

Aufbau

Arbeitsweise

Schematische Darstellung des Arbeitsablaufes<

Vorteile

Der Digitalmotor kann in jeder dem Anwendungsfall entsprechenden Größe gefertigt werden.
Er kann in den Radnaben platziert werden und somit als Allradantrieb fungieren.

Der 5-Taktmotor ermöglicht bei der Gemischvorbereitung und dem Verbrennungsvorgang ausreichend Zeit und erzielt dadurch eine bessere Energieausbeutung und eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes.
Die Optimierung des Ablaufes erfolgt durch eine optimale Auswahl der Stellung sowie des Zeitpunktes für die Kraftstoffeinspritzung und die Zündung, durch die Verwendung von beliebigen, gegebenenfalls langsam brennenden Kraftstoffen und Kraftstoffgemischen (z.B. Naphtha mit Wasser), durch die Verbrennung von Verbrennungsmoderatoren oder Katalysatoren (z.B. Wasser, Nickeleinsatz für Gemisch von Naphtha mit Wasser, Keramikeinsätze für flammenlose Verbrennung, usw.), durch Optimierung des Verdichtungsgrades, oder durch eine zusätzliche Wassereinspritzung, um die Abgastemperaturen ohne erheblichen Druckverlust senken zu können.

Abbildung 1: Anordnung der Rotationskolben

Einleitung:

Mit dem Digitalmotor haben wir einen Rotationskolbenmotor entwickelt, der die Möglichkeit bietet, durch die Schaffung von vielen kleinen Verbrennungsräumen die Vorteile eines Kleinstmotors zu nutzen. Dieses Prinzip kann mit dem 5-Takt-Verfahren - d.h. der Einführung eines "Aufbereitungstaktes" als 5. Takt verbunden werden. In dieser Kombination bietet der Digitalmotor damit sowohl eine wesentliche Verlängerung des verfügbaren Zeitraumes für die Gemischvorbereitung und die Verbrennung als auch eine weitgehend vollständige Kraftstoffverbrennung bei einem sehr guten Masse-Leistungs-Verhältnis z.B. bei der Verwendung von Dieselkraftstoffen. Der Digitalmotor eignet sich besonders für die Nutzung von alternativen Kraftstoffen insbesondere von Wasserstoff und Gas.

PDF-Dokument
Patentschrift "Digitalmotor"
(pat_digital.pdf 565 KB)

PDF-Dokument
PCT-Anmeldung "Digitalmotor"
(pct_digm.pdf 840 KB)

HP-GL/2 Plotfile (*.pra)
"Digitalmotor"
(0012kmoz.zip 9MB)

Aufbau des Digitalmotors:

Die Hauptkomponenten des Digitalmotors sind:

ein den Abtrieb bildender Rotationskolben 1 (RK1) mit einer Innen- und einer Außenverzahnung,
zumindest zwei mit einer Außenverzahnung versehene
Rotationskolben 2 (RK2) mit kleinerem Durchmesser
ein Motorgehäuse in dem beide Rotationskolben gelagert sind
(s. Abb.1)

Die Einzelkolben des Digitalmotors werden von den Zähnen der Innenverzahnung des Rotationskolben 1 und den Zähnen der Außenverzahnung der Rotationskolben 2 gebildet.
Diese Zähne sind jeweils unter 45° angestellt und weisen leicht schraubenflächenförmig gestaltete Flanken auf.
Die Außenverzahnung des Rotationskolben 1 verbindet den Motor mit dem Getriebe.
Die Aufbereitungs-, Verdichtungs- und Arbeitskammern werden von den Zahnzwischenräumen gebildet, deren Innenkontur genau der Zahnform entspricht.

Prinzipskizzen Digitalmotor
Blatt 1-14 im PDF-Format
(1.91 MB)

Eine erste Entwurfszeichnung des Digitalmotors mit ca. 80 PS,
3000 U/min und einem Hubraum von 1 cm³ pro Kammer (ca. 33.600 Zündungen /sec) ist vorhanden.

Abbildung 2: Innenansicht des Digitalmotors im Bereich des Zahneingriffs im 5-Takt-Verfahren

Die Verbrennungskammern können auch als isolierte Durchgangsbohrungen in den Rotationskolben gebildet werden, wobei jedem Zahnzwischenraum eine Verbrennungskammer zugeordnet ist.
Diese Verbrennungskammern werden durch die Gehäusewandungen des Digitalmotors während ihrer Rotation über einen bestimmten Drehwinkelbereich abdichtend verschlossen gehalten.

Abbildung 3: Schnittdarstellung im Bereich des Zahneingriffs im 5-Takt-Verfahren

Vor dem Zahneingriff ist in den Gehäusewandungen für jeden Rotationskolben jeweils ein erster Verbindungskanal vorgesehen. Dieser verbindet strömungstechnisch den an ihm vorbei drehenden Zahnzwischenraum mit einer Verbrennungskammer und füllt diese mit verdichteter Luft bzw. mit Kraftstoffgemisch.
Hinter dem Zahneingriff ist in den Gehäusewandungen für jeden Rotationskolben jeweils ein zweiter Verbindungskanal vorgesehen. Dieser verbindet ebenfalls strömungstechnisch die an ihm vorbei drehende Verbrennungskammer mit einem der nachfolgenden Zahnzwischenräume.

Abbildung 4: Schnittdarstellung im Bereich des Zahneingriffs,
Schnitt durch den Verbindungskanal 1 (im 5-Takt-Verfahren)

In den Gehäusewandungen befinden sich jeweils vor und hinter dem Zahneingriff eine Auspufföffnung sowie eine dieser gegenüberliegende, mit einer Luft oder Kraftstoffgemisch Zufuhr verbundene Ansaugöffnung.
Beide Öffnungen sind mit dem jeweils vorbei drehenden Zahnzwischenraum nacheinander strömungstechnisch verbunden.
Die Ansaugöffnung überdeckt die gegenüberliegende Auspufföffnung nur über einen Teil-Winkelbereich

Arbeitsweise des Digitalmotors:
(s. schematische Darstellung)

Prinzipskizzen Digitalmotor
Blatt 15-30 im PDF-Format
(1.96 MB)

Ein an der Ansaugöffnung vorbeilaufender Zahnzwischenraum wird mit Verbrennungsluft oder einem Kraftstoff-Luft-Gemisch befüllt.
Die Verringerung des Volumens des befüllten Zahnzwischenraums durch den erfolgenden Zahneingriff der Rotationskolben führt im weiteren Verlauf zur Kompression der Verbrennungsluft bzw. des Kraftstoff-Luft-Gemisches.

Verdichtung:(beim 5-Takt-Verfahren)

Die Verdichtung erfolgt sukzessive in den vor dem Zahneingriff befindlichen Verbindungskanal 1.
Dieser ist am Ende der Kompression infolge der Drehbewegung des Rotationskolbens 1 strömungstechnisch mit der Verbrennungskammer verbunden und befüllt diese mit dem komprimierten Medium.
Die Verbrennungskammer wird nunmehr auf ihrem Wege zum Verbindungskanal 2 abdichtend verschlossen gehalten.
Während des Zeitraumes der Verschiebung zum Verbindungskanal 2 erfolgt die Gemischaufbereitung und Einleitung der Verbrennung -5. Takt !
Nach Erreichen des Verbindungskanals 2 expandiert das unter hohem Druck stehende Medium aus der Verbrennungskammer über den Verbindungskanal 2 in den aus dem Zahneingriffsbereich austretenden Zahnzwischenraum und leistet dort Arbeit, die in der Drehbewegung der Rotationskolben resultiert.

Arbeit:

Die unter leichtem Überdruck stehenden Abgase entweichen beim Erreichen der Auspufföffnung aus den Zahnzwischenraum, wobei durch die teilweise Überlappung von Auspuff- und Ansaugöffnung der Gasaustausch dynamisch - ähnlich dem Zweitaktmotor erfolgt.

Der Arbeitsablauf erfolgt somit in einem modifizierten 5-Takt-Verfahren:

1. Takt Ansaugen

2. Takt Verdichten

3. Takt* Verdampfung, Gemischaufbereitung und Verbrennung

4. Takt Arbeit

5. Takt Auspuff

Schematische Darstellung des Arbeitsablaufes:

a) 5-Takt-Verfahren
b) Direkt Kompression für Gas und Wasserstoff

a) 5-Takt-Verfahren

Abbildung 5: Taktfolge - Schaubild 1

Abbildung 6: Taktfolge - Schaubild 2

Abbildung 7: Taktfolge - Schaubild 3

Abbildung 8: Taktfolge - Schaubild 4

Prinzipskizzen einer Variante mit Einfach-Kolben
(dig_exp.pdf 2.2 MB)

b) Direkt Kompression für Gas und Wasserstoff

Prinzipskizzen Digitalmotor
Blatt 31-36 im PDF-Format
(952 KB)

Vorteile des Digitalmotors:

eine wesentliche Verlängerung des verfügbaren Zeitraumes für die Gemischvorbereitung und die Verbrennung im 5-Takt-Verfahren;
eine weitgehend vollständige Kraftstoffverbrennung;
eine Verringerung des Schadstoffausstoßes;
die Nutzung von Gas oder Wasserstoff ist ohne das 5-Takt-Verfahren möglich;
ein sehr gutes Masse-Leistungs-Verhältnis
ca. 50% Einsparung im Motorgewicht
Verwendung in einem Hybrid-System möglich
der Verzicht auf Kurbelwelle, Pleuel und Ventile
durch die hohe Zündfolgenfrequenz und einen kleinen Schalldämpfer ist der Motor leise

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