DE3042530A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

• Rotationskolbenmaschine
• Die Erfindung bezieht sich auf eine ltotationskolbenaschine der im oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art. Wie durch das Brevet D'Intention Gr. 5 - LL. 5 No. 838.270 seit dem 9. 11. 37 bekannt, greifen bei dieser maschine n-gängig spiralartig verzahnte Rotationskolben in n+1-gängig verzahnte Rotationskolben und drehen mit der dem umgekehrten Uerzahnungsverhältnis entsprechenden Unterschiedlichkeit der Geschwindigkeit um Hchsen, die im Winkel α zueinander stehen.
• Durch diese Erfindung wird ein gewünschtes, z. B. gleichmäßiges Drehmoment an den Wellen der Kolben erzielt und eine gewünschte, z. B. lineare Förderung des Kammerinhalts erreicht. außerdem soll ermöglicht werden, Ladung und Kompression zu variieren und das Verhältnis zwischen Kammer- und Maschinenvolumen zu verbessern.
• Die Rotationskolbenmaschine läßt sich erfindungsqemäß als Pumpe, Kompressor und Motor mit und ohne Uorverdichter auslegern.
• Bei der Auslegung der Rotationskolbenmaschine als Pumpe verlauft bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 gemäß Anspruch 3 die Spiralsteigung derart, daß der Kammerinhalt gleichmäBig vom hußenraum in die Zentralkammer 1 gefördert wird oder umgekehrt, je nach Drehrichtung. Da die Kammern sich kubisch vom Achsschnittpunkt M aus vergrößern, muß sich der die Spirale s beschreibende Radius r pro Drehwinkel um die dritte Wurzel eines konstanten Wertes vergrößern.
• Bei der Auslegung der Rotationskolbenmaschine als Verbrennungskraftmaschine mit Vorverdichter wird bei dem Ausfaihrur1gsbeispiel nach Fig. 2 um ein gleichmäßiges t)rehmoment an den Kolbenwellen zu erreichen, erstens dieser Motor von einer stetigen Verbrennung getrieben. Generell erzielt man durch die konstante \lerbrennung eine gleichmäßige Kolben- und Lagerbelastung und einen erschütterungsfreien Lauf. Während bei einer periodischen, explosionsartigen Verbrennung die Zeit zur Gemischaufbereitung und vollständigen Verbrennung - insbesondere bei schnellaufenden Motoren - zu kurz ist, steht bei einer dauernden Verbrennung genügend Zeit zur Verfügung. Uie Kammerwände des Plotors haben glsichbleibende Temperaturen, was ebenfalls einer vollständigen Verbrennung förderlich ist. Die brennstoffe brauchen nicht durch kostspielige Zutaten klopffrei gemacht zu werden, weil das Cracken von Kohlenwasserstoffen an der Flammenfront vor allem bei der stoßweisen explosionsartigen Verbrennung auftritt. Schließlich fallen bei der stetigen Verbrennung weniger Schadstoffe an als bei der explosionsartigen Verbrennung.
• zweitens wird der stetigen Verbrennung wegen der Gaswechsel von und zur 8rennkammer gleichmäßig erfolgen, so daß sich ein rechnerischer Gleichdruckvorgang ergibt, und drittens wird der Kaumbildungsverlauf der Kammern dem Druckverlauf in den Kammern derart angepaßt, daß das ürehmoment an den Kolbenwellen während des Kompressions-und Expansionsvorganges.gleichbleibt. Im Gegensatz zum Hubkolben- oder Wankelmotor beispielsweise, bei denen die Konstruktion einen sinusartigen Raumbildungsverlauf bedingt, der erheblich vom adiabatischen Druckverlauf abweicht, ist der Raumbildungsverlauf dieses Kolbenmotors durch den Verlauf der Steigung der spiralartigen Kolbenverzahnung bedingt. Die Spiralsteigung der Kolbenverzahnung kann beliebig verlaufen, solange sie von der positiven nicht in ole negative Steigung wechselt, bzw. umkehrt.
• Erfindungsgemäß nach Anspruch t wird der Spiralsteigungsverlauf dem jeweiligen Abstand der raumbildenden Kammern zur Kolbendrehachse und dem Druckverlauf in ihnen derart entsprechen, daß das Drehmoment an der Kolbenwelle gleichbleibt und der innere Teil des Spiralsteigungsverlaufs eine lineare Förderung der Gase ermöglicht.
• Um Ladung und Kompression zu variieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten Wie Fig. 2 zeigt, besteht der Motor aus drei Rotationskolben, von denen der mittlere 2 doppelt wirkend ist. Wenn die Spiralen seiner beiden Verzahnungen gleichsinnig sind, haben die beiden äußeren Kolben entgegengesetzte Drehrichtungen, so daß der eine 3 mit dem mittleren Kolben 2 als Kompressor wirkt und der andere 4 nit dem mittleren als Motor. Dabei drehen sich die äußeren Kolben jeweils yleichzeitig um zwei Achsen, die im festen Winkel zu ein ander stehen. Nach Anspruch 14 ist der mittlere Kolben 2 durch einen Lagerkranz um seine Achse 5 drehbar gelagert. Durch Bremsbacken kann er gegeüber dem Rahmen gebremst und festgehalten werden. Zwischen dem mittleren Kolben und den Wellen der beiden äußeren Kolben 3 + 4 ist jeweils eine Reibungskupplung vorgesehen.
• Diese Anordnung hat folgende \Igrteile: Zum Anlassen des Motors muß ein für den Getrieb, und - uenn keine Glühkerze oder entsprechendes Zúndgerät vorgesehen ist - zur Selbstzündung des Gemisches ausreichender überdruck in der Brennkammer herrschen. Um dies zu erreichen, müssen der mittlere Kolben 2 und der Kompressorkolben 3 zunächst alleine zusammenwirken, während keine oder nur geringe Relativbewegung zwischen dem mittleren und dem Motorkolben 4 sein soll, damit die Gase nicht wie der abgeführt werden. Dies erreicht man, wenn die Bremsbacken zum mittleren Kolben gelöst sind, und er mit dem Motorkolben 4 gekuppelt wird. Gleichzeitig erhöht sich dabei die Kelativbewegung zxJischen dem mittleren und dem Kompressorkolben 3. Wenn das Gemisch gezündet ist, wird der mittlere Kolben 2 gegenüber dem Rahmen gebremst und vom Motorkolben 4 entkuppelt, so daß er Leistung abben kann.
• Wird der mittlere Kolben 2 ganz oder mit Verzögerung vom Kompressorkolben 3 mitgenommen, läßt sich die Kompression verringern oder aufheben. Indem durch dosierten Einsatz der beiden schleifkupplungen die Relativbewegung zwischen dem mittleren Kolben und den äußeren Kolben verändert wird, läßt sich während des Laufs die Leistung des Motors durch Veränderung der Kompression regeln.
• Der Motor läßt sich nach Anspruch 16 auch vorteilhaft derart an ein Differential-Ausgleichsgetriebe 6 koppeln, daß der mittlere Kolben mit den Planetenrädern 7, 7' verbunden ist und die beiden anderen Wellen 8, 9 mit den äußeren Kolben 3 + 4. Je nachdem, on der mittlere Kolben 2 rechts- oder linksherum gedreht wird, erhöht oder senkt sich die Kompression.
• Eine andere Möglichkeit, Ladung und Kompression zu variieren, ist, nach Anspruch2S am äußeren Kolbenumfang gasabdichtend ein mit dem Achsschnittpunkt M konzentrisches konkaves und sphärisches Absperrteil 10 derart verdrehbar zu lagern, daß die Spiralkammern je nach Drehstellung mehr oder weniger vor der Phase abgeschlossen werden. Die Ladung vergrößert sich, uenn der Spiralverlauf am äußeren Kolbenwand mit einer Steigung von 9U endet Soll nur die Kompression variiert werden, läßt sich nach anspruch ein konvexes, mit dem Achsschnittpunkt konzentrisches sphärisches Absperrteil 11 in die Brennkammer einbauen, mit dem die öffnung der Spiralkammer verzögert wird. Auch dieses Absperrteil laßt sich derart variieren, daß eine Phasenverspätung der Kammeröffnung stufenlos bis 36D Drehwinkel des eingängigen Kolbens, L zw.
• 18D Drehwinkel des zweigängigen Kolbens einstellbar ist. Das konvexe Absperrteil 11 wirkt dadurch, daß das Gas in der auf di Brennkammer zuwandernden Spiralkammer gegen das an den Kolben 12 zur trennkammer abdichtende Absperrteil aufläuft (Fig. 4 9.
• Weil während des Wirkens der Absperrteile bei der Kompression ein zusätzliches Drehmoment aufgewendet werden muß, werden am Motor teil nach Anspruch;26 entsprechende hbsperrtelle derart angebracht und in Drehstellung gehalten, daß die Urehmomentschwankung ausgeglichen wird.
• Neben der größeren Reibung müssen bei der Verwendung von den Absperrteilen Drosselverlust in Kauf genommen werden, weil der Ein- bzw. Auslaßquerschnitt nicht mehr gleich dem Kammerquerschnitt ist.
• Um ein möglichst gutes Verhältnis zwischen Kammer- und Motorvotjmen zu erreichen, hat nach Anspruch 20 ein Kolben einen einzeigen und der andere Kolben zwei Spiralgänge, bzw. -zähne. Hei diesem Verzahnungsverhältnis ist der größte Winkel 0< zwischen den Kolbenachsen möglich ohne daß bei den Spiralzähnen achsial Unterschneidungen auftreten. Um den Kolbenradius zu verkürzen und die Spiralumschlingung um 180° bzw. 360° zu verringern - was eine weitere Vergrößerung des Achswinkels oc erlaubt - befindet sich nach Anspruch «3 bei Fig.5 am inneren Rand des eingängigen Kolbens als Teil desselben ein mit dem Achsschnittpunkt konzentrisches konvexes und sphärisches Absperrteil, das mit dem anderen Kolben die Arbeitskammern von der Brennkammer während der Drehung der Kolben um einen festen Winkel bis 180° bzw. 36D abdichtet. Je größer der Achswinkeloc ist, desto größer sind die sich kubisch vom Achsschnittpunkt aus vergrößernden Hrbeitskamme rn.
• Wenn die Spiralzähne achsial keine Unterschneidungen aufweisen, kann sich der Kolben beim Betrieb einschleifen. Nach Anspruch ?/ wird die normalerweise störende Abnutzung hier bewußt dafür ausgenutzt, daß ein Kolben aus etwas weicherem Material von dem aus dem härteren Material hergestellte Kolben mehr und mehr in die für die Abdichtung bestgeeignete Form gebracht wird, indem der weichere Kolben in seiner Achsrichtung auf den härteren Kolben gedrückt wird. Nach Anspruch 8 wird dieserDruck mit einer Vorrichtung so gesteuert, daß der die Kolben achsial auseinanderschiebende Gasdruck aufgehoben wird und die Auflagekraft der ineinandergreifenden Kolben wegen der mechanischen Reibung so knapp wie möglich die Abdichtung der Arbeitskammern sicherstellt.
• ei höheren Drehzahlen ist es vorteilhaft, die Auflagekraft zu senken oder ganz aufzuheben und die Kolben mit Abstand voneinander laufen zu lassen.
• Für einige Anwendungsfälle ist es erwünscht, daß die Grate der Spiralrippen des zweigängigen Kolbens abgerundet sind. Dies läßt sich gemäß Anspruch 21 erreichen, indem man, wie Fig.6 zeigt, die den zweigängigen Kolben erzeugende Kugelzweieckfläche in ihrer Sphäre mit gleich breiten Randateifen 13 an ihren Halbkreisbögen 14 versieht und an den Eckpunkten 15 und 16 Kugelkappensektoren 17 ansetzt, die die Randstreifen in einem Kreisbogen verbinden. Ueim Umlauf und gleichzeitiger Verkleinerung erzeugen die Linien der Kugelkappensektoren 17 statt der scharfen Lrate zwei wul starb iqe Hände. D2' e den e ingängigen Kolben erzeugende Halokugelfläche muß dann selbstverständlich um einen Randstreifen gleicher Breite verkleinert werden. (Fig.) Um in der Brennkämmer eine Verbrennung bei gleichbleibendem Druck zu ermöglichen, werden erfindungsgemäß nach Anspruch die Arbeitskammern des Motorteils dem Volumen zuwachs der Linse durch die Verbrennung entsprechend größer dimensioniert. Um dies zu erreichen, stehen die Kolbenachsen des Motorteils in einem entsprechend größeren Winkel zueinander als die des Kompressorteils, und/oder die durchschnittliche Spiralsteigung der Kolben verzahnung des Motorteils ist entsprechend steiler als die des Kompressorteils.
• Leerseite

Claims (26)

1. PATENTANSPRUCHE 1. Rotationskolbenmaschine als Kraft- und/oder Arbeitsmaschine für für fließfähige Arbeitsmittel mit spiralartig verzahnten Kolben, deren Achsen einen Winkel « unter 45 einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralsteigung der Kolbenverzahnung abhängig von einem beabsichtigten bewegungs- und Druckverlauf des Arbeitsmittels verläuft.
2. 2. Hotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralsteigungsverlauf der Kolbenverzannung eine gezielte Förderung des Kammerinhalts verursacht, um z. b. in einem Fluidic-System als Kraft- oder Arbeitsmaschine einen gewünschten Hewegungsablauf hervorzubrinyen.
3. 3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hadius, der die Spirale, nach der die Kolben verzahnt sind, beschreibt, sich mit jedem drehwinkel um den Betrag der dritten Wurzel eines konstanten Wertes vergrößert, um als Pumpe mit gleichmäßiger Förderung und gleichbleibendem Drehmoment zu dienen.
4. 4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Spiralverlaufs der Kolbenverzahnung in dem Maße mit dem wachsenden Abstand einer abgeschlossenen raumbildenden Arbeitskammer von der Kolbendrehachse flacher wird, wie es durch die sich vergrößernde Hebellänge der wirkenden Arbeitskammer nötig ist, den Drehwinkel zu vergrößern, um das Drehmoment an der Kolbenwelle konstant zu halten.
5. 5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralsteigungsverlauf der KolL-enverzahnung einen bestimmten Raumbildungsverlauf in den Arbeitskammern erzeugt, um dem Druckverlauf des Arbeitsmittels so zu entsprechen, daß z. B. chemische Vorgänge beeinflußt Werden oder das Drehmoment an der Kolbenwelle gleichbleibt.
6. 6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralverzahnung der Kolben von einem Ste igungsverlauf einer gezielten Förderung in eine, Steigungsverlauf eines gezielten Raumbildungsverlaufs @bergeht, um als Kraft- oder Arbeitsmaschine zu dienen, die das komprimierte Gas in die Zentralkammer 1 oder aus ihr in die Prbeitskammern oder das Gas in den Umgebungsraum oder aus ihm in die Arbeitskammern z. H. linear fördert.
7. 7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, 3, 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralsteigungsverlauf sich der verändernden Hebellänge der raumbildenden Kammer, dem adiabatischen Druckverlauf in ihr und der Förderung des komprimierten Kammerinhalts derart entspricht, daß das Drehmoment an der Kolbenwelle gleichbleibt, um ihre Verwendung als Gasmotor mit gleichmäßiger und kontinuierlicher VerUrennung zu ermöglichen.
8. 8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß, wie Fig. 2 zeigt, ein Kompressor 2/3 mit geomrtrisch .hnliclle Spiralsteigunqsverlauf der Kolhenverzahnun wein rie 1' des Motors 2/4 in die Zentralkammer 1 zur Verbrennung verdichtete Gase fördert.
9. 9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, wie Fig. 2 zeigt, der mittlere Kolben 2 zwei gleichsinnige ähnliche spiralartige Verzahnungen aufweist und mit einem Kolben 3 als Kompressor wirkt und mit dem anderen Kolben 4 als Motor und daß die äußeren Kolben 3 und 4 sich um zwei Achsen gleichzeitig drehen, die den Winkel einschließen.
10. 10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Achswinkel der als Motor wirkenden Kolben 2 und 4 um das Maß größer ist als der Achswinkel der als Kompressor wirkenden Kolben 2 und 3, wie es nötig ist, den Volumenzuwachs der Gase durch die Verbrennung aufzunehmen damit der Druck in der Brennkammer kpnstant gehalten wird.
11. 11. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius und die durchschnittliche Spiralsteigung der als Motor wirkenden Kolben 2 und 4 um das Maß größer bzw. steiler ist als der Radius und die durchschnittliche Spiralsteigung der als Kompressor wirkenden Kolben 2 und 3, wie es nötig ist, den Volumenzuwachs der Gase durch die Verbrennung aufzunehmen, um den Druck in der Brennkammer kostant zu halten.
12. 12. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß, wie Fig. 2 zeigt, der mittlere Kolben an seinen beiden Seiten eine Spiralverzahnung gleicher Gangzahl hat.
13. 13. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Rand 18 eines der Kolben ein mit dem Achsschnittpunkt M konzentrisches sphärisches konvexes Absperrteil 19 als Teil des Kolbens mit dem inneren Rand des anderen Kolbens die Arbeitskammer von der Zentralkammer 1 während eines bestimmten Drehwinkels abdichtet, um die Öffnung der Arbeitskammer zur Zentralkammer phasenmäßiq zu verzögern, bzw. sie vorzeitig voneinander abzuschließen.
14. 14. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8 und 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der mittlere Kolben 2 um seine Achse 5 drehbar gelagert ist.
15. 15. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, 9 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des mittleren Kolbens 2 durch eine Vorrichtung an dem die Maschine aufnehmenden Rahmen abgebremst und festgehalten werden kann und die Relativbewegungen zwischen dem mittleren Kolben 2 und den beiden äußeren Kolben 3 und 4 durch Reibungskupplungen verändert werden kann, um den Druck in der Brennkammer zu variieren.
16. 15. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Rotationskolben 2, 3 und 4 mit einem Diffe-- rential-Ausgleichsgetriebe derart gekoppelt sind, daß sich durch Drehung des mittleren Kolbens 2 der Druck in der brennkammer variieren läßt.
17. 17. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben aus unterschiedlich hartem Material hergestellt sind, daß der Kolben aus dem weicheren Material in achsialer Richtung keine Unterschneidung aufweist und achsial gegen den härteren Kolben gedrückt wird.
18. 18. Rotationskolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben mit durch eine Vorrichtung gesteuertem achsialen Druck aneinanderliegen, um die Reibung der Kolben so gering wie möglich zu halten oder - bei hohen Drehzahlen - ganz aufzuheben.
19. 19. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, 12, 13, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kolben 2 zwei getrennte Zentralkammern bildet, die durch zwei durch die äußeren Kolben führenden Kanäle mit dem Außenraum verbunden sind.
20. 20. Hotationskolbenmaschine nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß - wie Fig. 1 und 2 zeigen - ein Kolben 2 mit einem einzigen Spiralgang in einen zweiten Kolben 3 bzw. 4 mit zwei Spiralgängen eingreift und daß die Spiralgänge des zweiten Kolbens eine geometrische Form haben, die dadurch entsteht, daß eine Kugelzweiecläche vom Zweieckwinkel 180° - 4 oc mindestens einen Umlauf ul ihre Kugelflächensymmetrieachse ausführt und sich dabei vom äußersten bis zum innersten Hadius konzentrisch zum Kugelflächenmittelpunkt M ständig verkleinert, wobei die Kugel-Plächensymmetrieachse die Drehachse2t des zweiten Kolbens ist und daß der Spiralgang des ersten Kolbens eine geometrische Form hat, die dadurch entsteht, daß eine Halbkugelfläche mindestens zwei Umläufe ausführt und sich dabei vom äußersten bis zum innersten Radius konzentrisch stetig nach dem gleichen Gesetz verkleinert und daß die Symmetrieachse der Halbkugel fläche bei den Umläufen einen Kegelmantel beschreibt, dessen Kegelwinkel cc beträgt und dessen Achse die Drehachse des ersten Kolbens ist und daß die Spitze des Kegelmantels im Kugelflächenmittelpunkt M liegt.
21. 21. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2U, dadurch gekennzeichnet, daß die den zweigängigen Kolben beschreibende Kugelzweieckfläche in ihrer Sphäre mit gleich breiten Handstreifen 13 an ihren Halbkreisbögen 14 versehen ist und an den Eckpunkten 15 und 16 Kugelkappensektoren 17 angesetzt sind, die die Handstre ifen im logen miteinander verbirllrn und die den eingängigen Kolben besuhreibende t-lalt,kuc3!.1 um einen Handstreifen gleicher Breite beschnitten ist.
22. 22. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 219--dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Randstreifen 13 mit verschiedenem Siphärenradius verschieden groß sind, um z. 8. das Volumen der Arbeitskammer zu verändern oder thermischen Materialbelastungen Rechnung zu tragen.
23. 23. Hotationskolbenmaschine nach Anspruch 20 und 8 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der mittlere Kolben 2 an einer Seite eingängig und an der anderen Seite zweigängig verzahnt ist.
24. 24. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, 5 bis 11, 12 oder 23, 13 oder 24 und 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Hand 2D des zweigängigen Kolbens verdrehbare, mit dem Achsschnittpunkt M konzentrische sphärische konvexe Absperrteile 11 angebracht sind, um die Kompression zu variieren.
25. 25. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, 5 bis 11, 12 oder 23, 13 bis 22, 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß am äußeren Rand des zweigängigen Kolbens verdrehbare, mit dem Achsschnittpunkt M konzentrische sphärische konkave Absperrteile 10 angebracht sind, um die Ladung und die Kompression zu variieren.
26. 26. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 24 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß die verdrehbaren Absperrtsile des Kompressorteils mit verdrehbaren Absperrteilen des Motorteils durch eine Vorrichtung derart miteinander gskoppelt sind, daß während ihrer Wirkung das Drehmoment an der Kolbenwelle gleichbleibt.