EP0062087A1 - Drehkolbenkraft- und Arbeitsmaschine mit periodisch veränderlichen Drehgeschwindigkeiten - Google Patents

Drehkolbenkraft- und Arbeitsmaschine mit periodisch veränderlichen Drehgeschwindigkeiten Download PDF

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EP0062087A1
EP0062087A1 EP81102631A EP81102631A EP0062087A1 EP 0062087 A1 EP0062087 A1 EP 0062087A1 EP 81102631 A EP81102631 A EP 81102631A EP 81102631 A EP81102631 A EP 81102631A EP 0062087 A1 EP0062087 A1 EP 0062087A1
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rotary
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working
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EP81102631A
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Inventor
Gerhard Rödiger
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Damhus Rudolf
Dornieden Heinz
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Damhus Rudolf
Dornieden Heinz
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    • 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
    • F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/063—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them
    • F01C1/077—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents with coaxially-mounted members having continuously-changing circumferential spacing between them having toothed-gearing type drive

Definitions

  • the invention relates to a power and work machine with displacement.
  • the best known are motors and compressors based on the Wankel principle, which has the disadvantage that the three edges of the rotary piston separating the individual working chambers are very narrow. This causes major leakage problems because, in contrast to the reciprocating piston engine, several seals cannot be arranged one behind the other on the narrow edge. A seal is particularly difficult in the outer corners of the combustion chamber to be sealed. Furthermore, the piston does not rotate around a fixed center of rotation, which has a negative effect on the space requirement and smooth running.
  • the invention is therefore based on the object to provide a power and driven machine with displacement effect, with simplified sealing of the individual working chambers, improved smoothness and a more favorable mass-performance ratio.
  • This object is achieved by two concentrically mounted, common working chambers creating rotary pistons with a fixed center of rotation, the two pistons having separate, concentrically arranged shaft outlets, which are coupled via a gear with periodically changing rotary movements so that the two nested rotary pistons are rotated during rotation perform a relative movement from and to each other.
  • the arrangement has the advantage that the two pistons have a common center of rotation, that all moving mass points are at a constant distance from this center and that there is complete rotational symmetry.
  • a further advantage is that it can always be ensured by a suitable arrangement of the inlet and outlet channels that a simultaneous access of the inlet and outlet channels to a working chamber is never possible.
  • a mostly water-cooled housing 1 the interior of which has the shape of a flat cylinder, two nested rotary pistons 2 and 3 rotate about a fixed center of rotation, which corresponds to the imaginary axis 4.
  • the shape of the two pistons 2 and 3 corresponds essentially to a flat base cylinder, each with two firmly connected, axially symmetrical opposite piston segments 18, the so-called outer piston 2 being hollow within its “base circle” and the so-called inner piston 3 being so narrow within its “base circle” is that it is rotatably arranged in the outer bulb 2.
  • the "piston segments" 18 of the inner piston 3 are located between the recesses in the piston segments 19 and 22 of the outer piston 2, the recesses being dimensioned so large that the inner piston 3 has a limited rotational movement about the imaginary axis 4 common to the two pistons when the outer piston 2 is stationary could perform back and forth.
  • the circumferential dimensions of the two rotary pistons are the same, i.e. the “piston segments” 18 extend radially to the same extent, this distance being only slightly smaller than the inner radius of the housing 1.
  • the "piston segments" of the two Rotating pistons have the same thickness, this thickness being only slightly smaller than the inner width of the housing 1.
  • a section 5 of the recess between the “piston segments” of the outer piston 2 and the inner piston 3 becomes one Combustion chamber which is delimited by "segment flanks" 6 and 7 forming working surfaces and the surface sections 8 and 9 lying on the "base circle” of the two pistons and by sections of the peripheral and side walls of the housing 1.
  • the two concentrically mounted shaft outlets 11 and 14 are each coupled by an oval wheel pairing on the work shaft 1 0 (Total torque shaft) together so that a space defined by the transfer function of the transmission positive movement of the rotary piston is produced. Since the two oval gears are shifted by 9 0 ° (two dead points) on the output shaft 1o 16 and 13, the movement period of the two rotary pistons with respect to also move the at 9 0 ° transfer function of an oval wheel pairing, thus taking place during the rotation movement of the two rotary pistons is forced from and to each other, ie a pressure acts on the two "segment edges" 6 and 7 a working chamber 5 over the angular range from minimum volume to maximum “chamber volume", a torque of the same size is transmitted from both rotary pistons to the shaft outlets 11 and 14, which, however, act in opposite directions.
  • the periodic gearbox has also reached its next dead position and the resulting torque of the output shaft changes its sign. In this working position, the chamber under pressure must be able to relax.
  • combustion chambers are formed from the two rotary pistons 2 and 3 and the housing 1, each of which undergoes two four-stroke processes during one revolution.

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Abstract

Die Erfindung schlägt eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung vor, die sich kennzeichnet durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitkammern schaffende Rotationskolben (2, 3) mit einem festen Rotationszentrum (4), wobei die beiden Kolben getrennte, konzentrisch angeordnete Wellenabgänge (11, 14) aufweisen, welche über ein Getriebe (12, 13, 15, 16) mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen so verkoppelt sind, daß die beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben während der Drehbewegung eine Relativbewegung von-und zueinander ausführen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung.
  • Am bekanntesten sind Motore und Verdichter nach dem Wankelprinzip, das den Nachteil aufweist, daß die drei die einzelnen Arbeitskammern trennenden Kanten des Rotationskolbens sehr schmal ausgebildet sind. Dadurch treten große Dichtigkeitsprobleme auf, denn im Gegensatz zum Hubkolbenmotor können auf der schmalen Kante nicht mehrere Dichtungen hintereinander angeordnet werden. Insbesondere in den Außenecken des abzudichtenden Verbrennungsraumes ist eine Abdichtung besonders schwer. Weiterhin dreht sich der Kolben nicht um ein festliegendes Rotationszentrum, was sich negativ auf den Platzbedarf und auf die Laufruhe auswirkt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung, mit vereinfachter Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern, verbesserter Laufruhe und günstigerem Masse-Leistungsverhältnis zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitskammern schaffende Rotationskolben mit einem festen Rotationszentrum, wobei die beiden Kolben getrennte, konzentrisch angeordnete Wellenabgänge aufweisen, welche über ein Getriebe mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen so verkoppelt sind, daß die beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben während der Drehung eine Relativbewegung von- und zueinander ausführen.
  • Die Anordnung weist den Vorteil auf, daß die beiden Kolben ein gemeinsames Rotationszentrum besitzen, daß alle sich bewegenden Massepunkte einen konstanten Abstand zu diesem Zentrum haben und daß vollkommene Rotationssymmetrie vorliegt.
  • Besonders günstig erscheint es daher, daß der Abstand der Arbeitskammern vom Rotationszentrum und die Geometrie der Arbeitsflächen der Kolbensegmente nahezu frei wählbar ist. Diese konstruktive Freiheit wirkt sich begünstigend auf die Optimierung von Kraft- und Arbeitsmaschinen aus.
  • Es ist weiterhin als Vorteil zu betrachten, daß bei der konstruktiven Gestaltung der beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben nur wenige einschränkende Bedingungen berücksichtigt werden müssen, was eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten zuläßt, wobei die einschränkenden Bedingungen sich nur auf die notwendige Relativbewegung der beiden Rotationskolben und auf das Abdichtproblem der einzelnen Arbeitskammern beziehen.
  • Weiterhin ist es im Sinne einer besseren Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern vorteilhaft, daß zwischen allen sich bewegenden Teile eine großflächige gegenseitige Berührung möglich ist.
  • Als weiterer Vorteil ist noch anzuführen, daß durch geeignete Anordnung der Ein- und Auslaßkanäle immer abgesichert werden kann, daß niemals ein gleichzeitiger Zugang von Ein- und Auslaßkanal zu einer Arbeitskammer möglich ist.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
  • In einem meist wassergekühlten Gehäuse 1, dessen Innenraum die Form eines flachen Zylinders hat, drehen sich zwei ineinander verschachtelte Rotationskolben 2 und 3 um ein feststehendes Rotationszentrum, was der gedachten Achse 4 entspricht. Die Form der beiden Kolben 2 und 3 entspricht im wesentlichen einem flachen Grundzylinder mit jeweils zwei fest verbundenen, sich axialsymmetrisch gegenüberliegenden Kolbensegmenten 18, wobei der sogenannte Außenkolben 2 innerhalb seines "Grundkreises" hohl ist und der sogenannte Innenkolben 3 innerhalb seines "Grundkreises" so schmal ist, daß er drehbar im Außenkolben 2 angeordnet ist. Die "Kolbensegmente" 18 des Innenkolbens 3 befinden sich zwischen den Aussparungen der Kolbensegmente 19 und 22 des Außenkolbens 2, wobei die Aussparungen so groß bemessen sind, daß der Innenkolben 3 bei feststehendem Außenkolben 2 eine beschränkte Rotationsbewegung um die den beiden Kolben gemeinsame gedachte Achse 4 vor und zurück durchführen könnte.
  • Die Umfangsmaße der beiden Rotationskolben sind gleich groß, d.h. die "Kolbensegmente" 18 erstrecken sich radial gleich weit, wobei diese Strecke nur um ein Geringes kleiner ist als der Innenradius des Gehäuses 1.
  • Weiterhin weisen die "Kolbensegmente" der beiden Rotationskolben die gleiche Dicke auf, wobei diese Dicke nur um ein Geringes kleiner ist als die innere Weite des Gehäuses 1. Dadurch und durch die nicht dargestellten Dichtungen wird ein Abschnitt 5 der Aussparung zwischen den "Kolbensegmenten" des Außenkolbens 2 und des Innenkolbens 3 zu einem Verbrennungsraum, der begrenzt wird durch wirkende Arbeitsflächen bildende "Segmentflanken" 6 und 7 und die auf dem "Grundkreis" der beiden Kolben liegenden Flächenabschnitte 8 und 9 sowie durch Abschnitte der Umfangs-und Seitenwände des Gehäuses 1.
  • Die beiden konzentrisch gelagerten Wellenabgänge 11 und 14 sind jeweils durch eine Ovalräderpaarung über die Arbeitswelle 10 (Momentensummenwelle) miteinander verkoppelt, so daß ein durch die Ubertragungsfunktion des Getriebes definierter Zwangslauf der beiden Rotationskolben erzeugt wird. Da die beiden Ovalräder 16 und 13 auf der Abtriebswelle 1o um 90° (zwei Totlagen) versetzt sind, ist die Bewegungsperiode der beiden Rotationskolben bezüglich der übertragungsfunktion einer Ovalräderpaarung ebenfalls um 90° verschoben, wodurch die während der Drehung stattfindende Relativbewegung der beiden Rotationskolben von- und zueinander erzwungen wird, d.h. wirkt ein Druck auf die beiden "Segmentflanken" 6 und 7 einer Arbeitskammer 5 über den Winkelbereich von minimalen Volumen bis maximalen "Kammervolumen", so wird von beiden Rotationskolben ein Drehmoment gleicher Größe auf die Wellenabgänge 11 und 14 übertragen, die jedoch entgegengerichtet wirken. Durch die Verschiebung der Übertragungsperiode der beiden Ovalräderpaarungen um 90° wird das Drehmoment eines Rotationskolbens zur Abtriebswelle 10 (Momentsummenwelle) hin reduziert und das andere verstärkt, was sich zwangsläufig aus den momentanen Übersetzungsverhältnissen der Ovalräderpaarungen ergibt. Die additive Überlagerung der beiden vom Betrag und Vorzeichen her verschiedenen Drehmomente ergeben an der Abtriebswelle (Momentensummenwelle) ein resultierendes Moment, wodurch die Drehung beider Kolben in einer Richtung erzwungen wird, wobei der Differenzbetrag als Abtriebsmoment zur Verfügung steht. Der Differenzbetrag bewegt sich immer zwischen Null und dem durch das Achsverhältnis der Ovalräder bestimmten Maximalwert.
  • Hat nun die unter Druck stehende Arbeitskammer 5 ihr maximales Volumen erreicht, hat auch das periodische Getriebe seine nächste Totlage erreicht und das resultierende Moment der Abtriebswelle wechselt sein Vorzeichen. In dieser Arbeitsstellung muß sich die unter Druck stehende Kammer entspannen können.
  • Da nun die nächste Kammer 17 wieder am Zündpunkt ist, tritt auch ein Wechsel der Wirkrichtung des Druckes bezüglich der Rotationskolben auf, was einen Gleichrichtereffekt des resultierenden Moments bewirkt.
  • Da bezüglich der Abtriebsachse nur alle 90° eine Vorzeichenumkehrung des resultierenden Moments auftritt und ein Flankenwechsel nur in 45° Abständen zulässig ist, müssen zwei 45° Perioden übersprungen werden, wenn das resultierende Moment nur in einer Richtung wirken soll. Dadurch wird auch gleichzeitig erreicht, daß der momentan langsamere Kolben in Drehrichtung beschleunigt und der schnellere abgebremst wird, d.h. der in der Kammer herrschende Druck hat immer optimale Wirkrichtung bezüglich der vorzeichenbehafteten Beschleunigung der Rotationskolben.
  • Bezüglich der Abtriebswelle und der Wanderung der Kammermittelpunkte läuft über jeweils 18o° ein Viertaktprozeß ab, d.h. über den Winkelbereich von 0 bis 45° der Verbrennungsprozeß, von 45° bis 900 der Auslaßvorgang, von 90° bis 135° der Ansaugvorgang und von 135° bis 180° der Verdichtungsprozeß. Für die axialsymmetrisch gegenüberliegende Kammer läuft immer der gleiche Prozeß ab, was sich über den Winkelbereich von 180° bis 360° erstreckt.
  • Insgesamt werden von den beidenRotationskolben 2 und 3 und dem Gehäuse 1 vier Brennkammern ausgebildet, wovon jede während einer Umdrehung zwei Viertaktprozesse durchläuft.
  • Vernachlässigt man die zeitliche Änderung des Verbrennungsdruckes, so wandern die Kammermittelpunkte mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um das Rotationszentrum und die Abtriebswelle dreht sich mit derselben konstanten Winkelgeschwindigkeit, was sich aus der Mittelwertbildung der beiden Ovalräderpaarungen ergibt.

Claims (11)

1. Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung, gekennzeichnet durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitskammern schaffende Rotationskolben (2, 3) mit einem festen Rotationszentrum (4), wobei die beiden Kolben (2, 3) getrennte konzentrisch angeordnete Wellenabgänge (11, 14) aufweisen, welche über ein Getriebe (12, 13, 15, 16) mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen gekoppelt sind.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß immer zwei sich gegenüberstehende, eine gemeinsame Arbeitskammer (5) bildende Arbeitsflächen (Segmentflanken 6, 7) von jeweils einem der beiden Rotationskolben (2, 3) gebildet werden, so daß die beiden Arbeitsflächen durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der beiden Kolben eine Relativbewegung während der Drehung von- und zueinander ausführen, wobei vom Mittelpunkt der Arbeitskammer (5) aus betrachtet, die in Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (6) zuerst der mittleren Winkelgeschwindigkeit gegenüber vorauseilt und die entgegen der Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (7) nacheilt, was sich beim Totpunktdurchgang umkehrt.
3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beidenRotationskolben so ineinander verschachtelt und in ihrer Lage zu den Getriebetotpunkten angeordnet sind, so daß eine Relativbewegung der beiden Kolben (2, 3) während einer Umdrehung durch die Zwangssteuerung des angekoppelten Getriebes möglich ist, wobei das gewählte Getriebe über die mathematischen und physikalischen Zusammenhänge die Geometrie und Anordnung der Kolben eindeutig bestimmt.
4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwangslauf der beiden Rotationskolben (2, 3) durch das angekoppelte Getriebe mit periodisch veränderlicher Drehbewegung (12, 13, 15, 16) synchron, aber von der Übertragungsfunktion der Winkelgeschwindigkeit her betrachtet, um zwei Totpunktlagen versetzt angesteuert werden, woraus resultiert, daß immer eine gerade Anzahl von Arbeitskammern vorhanden sein muß, welche in den Totpunktlagen des Getriebes abwechselnd maximales (17) und minimales Kammervolumen (5) bilden.
5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsprozeß in dem von den Arbeitsflächen (Segmentflanken 6, 7), welche in einem festen Abstand um das Rotationszentrum (4) rotieren, beschriebenen Arbeitsraum abläuft, wobei eine Arbeitskammer (5) nur ein Teilstück dieses ringförmigen Arbeitsraumes ausmacht, die durch zwei benachbarte Arbeitsflächen (6,.7) und durch Flächenabschnitte der Kolben (8, 9) sowie durch Abschnitte der Umfangs- und Seitenwände ausgebildet wird.
6. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die "Kolbensegmente" (18, 19) der Rotationskolben (2, 3) so bemessen sind, daß in einer Totpunktstellung des Getriebes, von einem festen Punkt (2o) des Gehäuses aus betrachtet, die in Drehrichtung befindliche Arbeitsfläche (7) kurz hinter diesem Punkt ist und die entgegen der Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (6) desselben Kolbensegmentes erst eine oder drei Totpunktstellungen später vor diesem Punkt liegt.
7. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Arbeitsflächen (6, 7) dieselbe Geometrie und denselben Abstand zum Rotationszentrum (4) haben.
8. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern eine Flächenberührung zwischen sich bewegenden Teilen gegeben ist.
9. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenabgang (11) des einen Rotationskolbens in dem hohlgebohrten Wellenabgang (14) des anderen drehbar angeordnet ist.
10. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsmitteleinlaß und Arbeitsmittelauslaß durch die beiden Rotationskolben gesteuert wird, indem die Einlaß- und Auslaßöffnungen bei Erreichen der entsprechenden Kolbenstellungen freige-geben bzw. verschlossen werden.
11. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskolben (2, 3), um eine Kühlung zu ermöglichen, mit entsprechenden Hohlräumen versehen sind, wobei dies Kühlmittel bei achsnäherer Einlaßöffnung gegenüber der achsfernen Auslaßöffnung durch die auftretenden Zentrifugalkräfte die Rotationskolben durchströmt.
EP81102631A 1981-04-08 1981-04-08 Drehkolbenkraft- und Arbeitsmaschine mit periodisch veränderlichen Drehgeschwindigkeiten Withdrawn EP0062087A1 (de)

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