DE19757859A1 - Drehflügelmotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehflügelmotor nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Solche Motore können unter anderem zum Antrieb von Kleinflugzeugen, von Wasser- und Straßenfahrzeugen so­ wie als vergleichbare Aggregate zum Beispiel für die Stromerzeugung eingesetzt werden.

Drehflügelmotore dieser Art sind im Prinzip bereits be­ kannt.

So ist in der DE 31 23 121 A1 ein Drehkolbenverbren­ nungsmotor beschrieben, der aus einem kreiszylindrischen Arbeitsraum, zwei den Arbeitsraum in zwei Hälften tei­ lenden Drehflügeln und aus einem, die Drehbewegungen der beiden Drehflügel steuernden Gesperre besteht.

Von Nachteil ist, daß die Kraftübertragung der Drehflü­ gel auf die Abtriebswelle über zwei Gesperre erfolgt. Diese Gesperre unterliegen einer großen und auch rich­ tungswechselnden Belastung, was zu einem schnellen Ver­ schleiß führt. Außerdem sind Gesperre kompliziert und teuer, was ihren Einsatz in einem solchen Motor verbie­ tet.

Eine weitere Drehkolbenmaschine ist aus der DE 44 11 636 A1 bekannt, die einen kreisringzylindrischen Arbeitsraum besitzt, der durch eine äußere Zylinderwand, durch die Arbeitswelle als innere Zylinderwand und seitlich durch eine linke und eine rechte Drehscheibe begrenzt ist. Da­ bei sind die beiden seitlichen Drehscheiben mit aufge­ setzten Drehflügeln ausgebildet. Zwei dieser Drehflügel bilden zwischen sich jeweils eine Arbeitskammer, die durch die relative Drehbewegung beider Drehscheiben vo­ lumenveränderbar ist. Der eine Drehflügel ist über ein feststehendes Leitzahnrad mit dem Stator und der andere Drehflügel über ein Zahnrad-Kurbelgetriebe mit der Ab­ triebswelle verbunden. In der Expansionsphase des Motors stützt sich der feststehende Drehflügel am Leitzahnrad ab, und der bewegliche Drehflügel überträgt die Expansions­ kräfte über das Zahnrad-Kurbelgetriebe auf die Abtriebs­ welle.

Auch hier werden die gesamten Antriebskräfte über ein mechanisches Getriebe übertragen, was zu einem hohen Verschleiß führt. Das Getriebe ist obendrein äußerst kompliziert aufgebaut und besitzt eine Vielzahl von kraftübertragenden Elementen. Das führt zu hohen Ener­ gieverlusten durch Reibung und zu einem großen Schlupf in den Bewegungsabläufen.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß das Zahnrad- Kurbelgetriebe auf der Nabe der Abtriebswelle und damit im Zentrum der Maschine angeordnet ist. Der dafür erfor­ derliche Einbauraum verhindert großvolumige Arbeitskam­ mern. Das bedeutet Leistungsverzicht oder führt zu einer großbauenden und massiven Maschine.

Es besteht daher die Aufgabe, einen Drehflügelmotor der vorliegenden Gattung zu entwickeln, der variabel aus­ führbar ist, der bei einer kleinen Bauweise ein großes Kammervolumen ermöglicht und der keine mechanischen Kraftübertragungselemente besitzt.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der neue Drehflügelmotor besitzt alle anerkannten Vor­ teile einer Rotationsmaschine, wie beispielsweise ein günstiges Masse-Leistungsverhalten, eine einfache und kostensparende Bauweise sowie eine variable Leistungsan­ passung an die verschiedensten Einsatzfälle.

Darüberhinaus beseitigt die Erfindung die eingangs ge­ nannten Nachteile des Standes der Technik.

So besitzt der neue Drehflügelmotor auch bei kleinster Bauweise ein äußerst großes Kammervolumen, da die Steu­ ereinheit aus dem zentralen Bereich der Abtriebswelle herausgenommen ist und damit die Arbeitskammern sich bis unmittelbar an die Nabe der Abtriebswelle erstrecken können.

Von besonderem Vorteil ist die sehr variabel ausführbare Innensteuerung des Drehflügelmotors.

So ist es durchaus möglich, auf einen zusätzlichen Steu­ ermechanismus zu verzichten, da alle drehbaren Rotati­ onsteile an feststehenden Steuerkanälen vorbeikommen und so zwangsversorgt werden. Auch bei Verwendung eines zu­ sätzlichen Steuermechanismus kann dieser äußerst va­ riabel gestaltet werden. So können die Form der Steuer- und Arbeitsflügel frei variiert werden. Die Anzahl der Zündungen und der Hubraum der Arbeitskammer kann leicht an unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten angepaßt werden. Auch kann durch eine doppelte oder mehrfachen Ansiedlung von gleichen Steuerkanälen auf dem Umfang des Stators ein erhöhtes Leistungsvermögen des Drehflügelmo­ tors erreicht werden. Diese mehrfachen Systeme können durch Ab- und Zuschalten den jeweiligen Belastungsfällen angepaßt werden.

Ein weiterer erheblicher Vorteil besteht in der direkten Kraftübertragung von den Arbeitsflügeln auf die Ab­ triebswelle. Das vereinfacht die Steuerung der Arbeits­ abläufe erheblich, da kein Schlupf zwischen den Arbeits­ flügeln und der Abtriebswelle auftreten kann.

Diese direkte und starre Verbindung von Arbeitsflügeln und Abtriebwelle unterliegt nur einem geringen Ver­ schleiß.

Der Drehflügelmotor ist kleiner und leichter als ver­ gleichbare Motore und zeichnet sich durch einen schnel­ len und ruhigen Lauf und durch einen sparsamen Verbrauch aus.

Die Bauweise und damit die Herstellung ist sehr einfach.

Weitere zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 15.

So ist auch möglich, den Arbeitsflügel und den Steuer­ flügel als eine Kolben-Zylinder-Einheit auszuführen. Da­ durch kann auf eine druckdichte Ausführung des Motorge­ häuses verzichtet werden, was auch Vorteile in der Ab­ dichtung nach außen mit sich bringt.

Es ist weiterhin zweckmäßig, die Steuereinheit als ein Kurbelgetriebe auszubilden und an dem Arbeitsflügel und dem gegenüberliegenden Steuerflügel drehbar anzulenken und die Kurbelwelle mit einem Zahnrad auszurüsten, das sich an einem stationären Zahnkranz abwälzt. An Stelle des Zahnradgetriebes kann auch ein federbelastetes Rei­ bradgetriebe verwendet werden. Diese Steuereinheit ist einfach im Aufbau und ermöglicht wegen der geringen An­ zahl von Übertragungselementen eine genaue Arbeitswei­ se.

Der besondere Vorteil dieser Steuereinheit besteht aber darin, den Arbeit verrichtenden Bewegungsablauf des Ro­ tors durch die mit laufende Abstützung am Gehäuse des Stators wirkungsvoll zu unterstützen. Das bringt Vortei­ le im ruhigen und vor allem gleichmäßigen Rundlauf des Motors.

Diese Art der Steuereinheit ermöglicht auch, den Dreh­ flügelmotor in eine separate Arbeitseinheit und in eine separate Steuereinheit auszuführen und beide funktionell zu verbinden. Dadurch gibt es sehr gute konstruktive Ge­ staltungsmöglichkeiten.

Es ist auch von Vorteil, den Steuerraum der Steuerein­ heit gleichzeitig als Kühlraum zu verwenden.

Sehr gute Gestaltungsmöglichkeiten gibt es auch hin­ sichtlich der Einlaßanschlüsse und der Auslaßanschlüsse. Vorteilhaft sind unterschiedlich geformte und ausgerich­ tete Steuerschlitze.

Die Erfindung soll nachstehend an Hand eines Ausfüh­ rungsbeispieles näher erläutert werden.

Dazu zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Drehflügelmotors,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Drehflügelmotorblockes,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Drehflügel­ blockes mit einer gemeinsamen Steuer­ einheit,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Drehflügelmotors mit einer integrierten Zwei-Zylinder-Einheit und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Drehflügelmotors mit einer integrierten Ein-Zylinder-Einheit.

Der Drehflügelmotor besteht bekanntermaßen aus einem als Stator wirkenden zylindrischen Gehäuse 1 mit zwei nicht dargestellten seitlichen Gehäusedeckeln und einem Rotor 2. Das Gehäuse 1 besitzt, bezogen auf den halben Umfang, an vorbestimmten Stellen einen Einlaßanschluß 3 für den frischen Brennstoff und einen Auslaßanschluß 4 für den verbrannten Brennstoff. Diese Einlaßanschlüsse 3 und Auslaßanschlüsse 4 besitzen definierte Durchtrittsöff­ nungen und sind vorzugsweise als im Gehäuse 1 einge­ brachte Steuerschlitze ausgeführt sein, die in axialer, in radialer oder in schräger Richtung verlaufen. Weiter­ hin sind an einer anderen vorbestimmten Stelle des Gehäuses 1 zwei gegenüberliegende Zündeinrichtungen 5 für den Brennstoff vorgesehen. Dadurch ergeben sich auf den halben Umfang des Gehäuses 1 ein Expansionsbereich 6, ein Ausstoßbereich 7, ein Ansaugbereich 8 und ein Kompressionsbereich 9.

Zum Rotor 2 gehört eine in beiden Gehäusedeckeln drehbar gelagerte Abtriebswelle 10. Auf der Abtriebswelle 10 sind mindestens ein drehfester, als Doppeldrehflügel ausgebildeter Arbeitsflügel 11 und ein auf der Abtriebs­ welle 10 schwenkbar gelagerter, ebenfalls als Doppel­ drehflügel ausgebildeter Steuerflügel 12 angeordnet. Der Arbeitsflügel 11 und der Steuerflügel 12 sind beide ge­ genüber dem Gehäuse 1 gemeinsam drehbar und zueinander in einem begrenzten Winkel schwenkbar, so daß sich zwi­ schen dem Arbeitsflügel 11 und dem Steuerflügel 12 zwei gegenüberliegende volumenveränderliche Arbeitskammern 13 ergeben.

Der Schwenkweg und damit die Größe der Volumenverände­ rung der Arbeitskammern 13 sowie der relative Bewegungs­ ablauf zwischen dem Arbeitsflügel 11 und dem Steuerflü­ gel 12 werden durch eine Steuereinheit 14 realisiert. Diese Steuereinheit 14 ist als Kurbelzahnradgetriebe ausgelegt, in einem zwischen zwei benachbarten Arbeits­ kammern 13 befindlichen Steuerraum angeordnet und besteht aus einer Kurbelstange 15 und einer exzentri­ schen Kurbelwelle 16, wobei die Kurbelstange 15 an einer Hälfte des Steuerflügels 12 und die Kurbelwelle 16 an der gegenüberliegenden Hälfte des Arbeitsflügels 11 drehgelenkig gelagert sind. Die Kurbelwelle 16 ist oben­ drein mit einem Zahnrad 17 gekoppelt, das mit einem sta­ tionären Zahnkranz 18 im Gehäuse 1 kämmt. Die Länge der Kurbelstange 15 und der Exzentrizität der Kurbelwelle 16 sowie der Durchmesser des Zahnrades 17 bestimmen den Be­ wegungsablauf des Steuerflügels 12 innerhalb der gemein­ samen Drehbewegung von Arbeitsflügel 11 und Steuerflügel 12.

Die Kurbelstange 15 und die Kurbelwelle 16 besitzen ei­ nen gemeinsamen unteren Totpunkt 19 und einen oberen Totpunkt 20.

Wie die Fig. 2 zeigt, können auch mehrere dieser Dreh­ flügelmotore gleicher Bauart in beliebiger Anzahl zu ei­ nem Motorenblock zusammengefügt werden. Dabei sind die Statoren 1 fest aneinandergeflanscht und die Rotore 2 über eine gemeinsame Abtriebswelle 10 verbunden. Die einzelnen Einheiten von Drehflügelmotoren besitzen einen gemeinsamen Drehwinkel oder sind um einen bestimmten Drehwinkel zueinander versetzt.

Gemäß der Fig. 3 sind zwei außenliegende Drehflügelmoto­ re ohne Steuereinheit mit einem innenliegenden Drehflü­ gelmotor mit einer Steuereinheit 14 funktionell miteinander gekoppelt. Dabei überträgt sich die Steuer­ funktion der einzigen Steuereinheit 14 auf alle drei Ro­ tore 2 dadurch, daß die Arbeitsflügel 11 aller drei Drehflügelmotore über die gemeinsame Abtriebswelle 10 und die Steuerflügel 12 aller drei Drehflügelmotore über andere Verbindungselemente miteinander drehfest mitein­ ander verbunden sind.

Die Fig. 4 und 5 zeigen den neuartigen Drehflügelmotor in einer anderen und vereinfachten Ausführungsform. Hierbei sind die Arbeitskammern 13 Bestandteil einer Kolben-Zylinder-Einheit, bei der der Zylinder in den starren Arbeitsflügel 11 eingearbeitet ist und der Kol­ ben die Funktion des Steuerflügels 12 übernimmt und da­ her über die Kurbelstange 15 mit der Steuereinheit 14 verbunden ist. Die Fig. 5 zeigt eine Kombination von Kolben-Zylinder-Einheit und Drehflügel. Es können eine oder mehrere Arbeitseinheiten in Form von Kolben-Zylin­ der-Einheiten und/oder Drehflügeln in einem Stator 1 verwendet werden, wobei als Bedingung gilt, daß jeder Arbeitseinheit eine Steuereinheit 14 zugeordnet ist. Die Verwendung nur einer Steuereinheit 10 für mehrere Kol­ ben-Zylinder-Einheiten ist darüberhinaus möglich, wenn alle Kolben funktionell miteinander verbunden sind.

Die Wirkungsweise des neuartigen Drehflügelmotors soll an Hand der Fig. 1 und 2 erläutert werden.

Befinden sich der Arbeitsflügel 11 und der Steuerflügel 12 in Positionen, wo die Arbeitskammern 13 ihr kleinstes Volumen besitzen, hat sich die Kurbelstange 15 in der Nähe des unteren Totpunktes 19 der Kurbelwelle 16 einge­ stellt. In dieser Position wird der Brennstoff durch beide Zündeinrichtungen 5 explositionsartig verbrannt. Dabei entstehen Expansionskräfte, die einerseits auf die wirksame Druckflächen des Arbeitsflügels 11 wirken und ein auf die Abtriebswelle 10 wirkendes Drehmoment erzeu­ gen und die andererseits in gleicher Größenordnung aber entgegengesetzt gerichtet auf die wirksame Druckfläche des Steuerflügels 12 wirken. Dabei stützt sich der Steu­ erflügel 12 an der Steuereinheit 14 ab, in dem die ent­ gegengesetzt gerichtete Expansionskraft über die Kurbel­ stange 15 auf die Kurbelwelle 16 übertragen wird.

Gleichzeitig schiebt der sich in Drehung befindliche Ar­ beitsflügel 11 die Steuereinheit 14 nach, so daß sich die Steuereinheit 14 in Drehung versetzt und dabei das Zahn­ rad 17 auf dem stationären Zahnkranz 18 abrollt. Durch die Überlagerung der rückwärts gerichteten Translation der Kurbelstange 15 und der vorwärts gerichteten Drehbe­ wegung des Steuerflügels 12 kommt es in der Phase zwi­ schem dem unteren Totpunkt und dem oberen Totpunkt der Kurbelwelle 16 in Bezug auf den Arbeitsflügel 11 zu ei­ nem annähernden Stillstand des Steuerflügels 12. Der Ar­ beitsflügel 11 und der Steuerflügel 12 drehen aber zusammen in einer kontinuierlichen Bewegung. Allein durch das Voreilen des Arbeitsflügels 11 kommt es zur Volumenvergrößerung der Arbeitskammer 13 und damit zur Expansion und am Ende zum Ausstoß des eingeschlossenen und bereits verbrannten Brennstoffes.

Im oberen Totpunkt 20 der Kurbelwelle 16 kehrt sich die translatorische Bewegung der Kolbenstange 15 um, und der Steuerflügel 12 läuft der Bewegung des Arbeitsflügels 11 hinterher. Auf Grund der jetzt gleichgerichteten Überla­ gerung der Geschwindigkeiten von Translation der Kurbel­ stange 15 und Drehbewegung am Steuerflügel 12 kommt es wieder zu einer Annäherung von Arbeitsflügel 11 und Steuerflügel 12, wodurch sich die Arbeitskammern 13 wie­ der verkleinern und dabei frischen Brennstoff ansaugen und anschließend komprimieren.

Bei Erreichen des unteren Totpunktes 19 kommt es wieder zur Zündung des Brennstoffes.

Zur Gewährleistung von vorbestimmten Haltepositionen des Rotors 2 kann eine herkömmlich ausführbare Bremseinrich­ tung mechanischer oder elektronischer Bauart eingesetzt werden.

Bezugszeichenliste

1

Gehäuse

2

Rotor

3

Einlaßanschluß

4

Auslaßanschluß

5

Zündeinrichtung

6

Expansionsbereich

7

Ausstoßbereich

8

Ansaugbereich

9

Kompressionsbereich

10

Abtriebswelle

11

Arbeitsflügel, drehfest

12

Steuerdrehflügel, schwenkbar

13

Arbeitskammer

14

Steuereinheit

15

Kurbelstange

16

Kurbelwelle

17

Zahnrad

18

Zahnkranz

19

unterer Totpunkt

20

oberer Totpunkt

Claims (15)

1. Drehflügelmotor, bestehend

• - aus einem Stator mit einem zylindrischen Gehäuse (1) und seitlichen Gehäusedeckeln, wobei am Gehäuse (1) ein oder mehrere Einlaßanschlüsse (3), Auslaßanschlüsse (4) und Zündeinrichtungen (5) angeordnet sind und
• - einem, in den Gehäusedeckel gelagerten Rotor (2) mit einer Abtriebswelle (10) und mindestens einem Arbeits­ flügel (11) und einem Steuerflügel (12), wobei der Ar­ beitsflügel (11) mit der Abtriebswelle (10) verbunden ist und der Steuerflügel (12) gegenüber dem Arbeitsflü­ gel (11) um einen bestimmten Winkelbereich schwenkbar ausgeführt ist und
• - einer zwischen dem Arbeitsflügel (11) und dem Steuer­ flügel (12) angeordneten Steuereinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsflügel (11) und der Steuerflügel (12) als Doppelflügel und die beiden Räume zwischen dem Arbeitsflügel (11) und dem Steuerflü­ gel (12) als volumenveränderliche Arbeitskammern (13) ausgebildet sind, der Arbeitsflügel (11) starr mit der Abtriebswelle (10) verbunden ist und die Steuereinheit (14) in einem nicht zur Verbrennung genutzten Steuerraum zwischen dem Arbeitsflügel (11) und dem Steuerflügel (12) im radialen Abstand zur Abtriebswelle (10) angeord­ net ist und sich am Stator abstützt.

2. Drehflügelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (13) aus den Druckflächen der Arbeitsflügel (11) und der Steuer­ flügel (12) sowie aus der Zylinderwand des Gehäuses (1), den seitlichen Gehäusedeckeln und der Nabe der Abtriebs­ welle (10) gebildet werden.

3. Drehflügelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskammern (13) aus mindestens einer Kolben-Zylinder-Einheit gebildet wird und dazu der Zylinder im Arbeitsflügel (11) eingearbei­ tet ist und der Steuerflügel (12) als Kolben ausgebildet und mit der Steuereinheit (14) verbunden ist.

4. Drehflügelmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben-Zylinder-Ein­ heiten verwendet werden und jedem Kolben einer Kolben- Zylinder-Einheit eine Steuereinheit (14) zugeordnet ist.

5. Drehflügelmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kolben-Zylinder-Ein­ heiten mit einer Steuereinheit (14) verwendet werden, wobei alle Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten mecha­ nisch untereinander verbunden sind.

6. Drehflügelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) als Kurbelgetriebe ausgebildet ist und mit dem Steuerflügel (12) und dem gegenüberliegenden Arbeitsflügel (11) dreh­ bar angelenkt ist.

7. Drehflügelmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (14) aus einer Kurbelstange (15) und einer Kurbelwelle (16) be­ steht, wobei die Kurbelstange (15) mit dem Steuerflügel (12) und die Kurbelwelle (16) mit dem Arbeitsflügel (11) verbunden ist.

8. Drehflügelmotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (16) der Steuereinheit (14) drehfest mit einem Zahnrad (17) ver­ bunden ist, wobei das Zahnrad (17) mit einem umlaufenden und stationären Zahnkranz (18) des Gehäuses (1) im Ein­ griff steht.

9. Drehflügelmotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zahnrad (17) äußere Zäh­ ne und der Zahnkranz (18) innere Zähne besitzen.

10. Drehflügelmotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehflügelmotor aus ei­ nem Arbeitsblock und einem Steuerblock besteht, die bei­ de funktionell verbunden sind und der im Arbeitsblock freiwerdende Steuerraum zur Arbeitsverrichtung genutzt wird.

11. Drehflügelmotor nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drehflügelmotore zu einem Motorenblock zusammengesetzt sind.

12. Drehflügelmotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerblock zwei und mehr Arbeitsblöcke versorgt.

13. Drehflügelmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerraum der Steuer­ einheit (14) von einem Kühlmittel durchströmt wird.

14. Drehflügelmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßanschlüsse (3) und die Auslaßanschlüsse (4) als Steuerschlitze mit defi­ nierten Durchtrittsöffnungen ausgebildet sind.

15. Drehflügelmotor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschlitze axial, radial oder schrägverlaufend ausgerichtet sind.