AT395202B

AT395202B - Drehkolbenverdichter

Info

Publication number: AT395202B
Application number: AT0283389A
Authority: AT
Original assignee: Haider Gottfried Dipl Ing
Priority date: 1989-12-13
Filing date: 1989-12-13
Publication date: 1992-10-27
Also published as: ATA283389A

Description

AT 395 202 B

Die Erfindung bezieht sich, auf einen Drehkolbenverdichter, mit einem kreiszylindrischen Rotor, der mit einer Erzeugenden in der Gehäusebohrung aufliegt und mit seinem Mittelpunkt exzentrisch um den Gehäusebohrungsmittelpunktrotiert, einem Sperrelement, das den Arbeitsraum in einen Saugraum und Druckraum trennt, und zentrisch mitrotierenden zylindrischen Scheiben die mit der Gehäusebohrung einen Ringdichtspalt bilden. S Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine ist vorzugsweise zum Verdichten der Luft vor dem Eintritt in den

Verbrennungsraum von Brennkraftmaschinen geeignet, kann aber auch zum Verdichten undFördem von gasförmigen und flüssigen Medien aller Art verwendet werden. Nach WO-Al-81/00278 (Hiemer) ist ein Lader der Drehkolbenbauart mit je einem Zylinder einer mehrzylindrigen Brennkraftmaschine zugeordnetem Drehkolben bekannt. Weiters ist nach CH-PS 124 596 (PATIAG) bekannt, daß die einzelnen Rotoren axial mit konzentrisch zur 10 Gehäusebohrung rotierenden Scheiben, die Umfangsnuten aufweisen und einen engen Spalt zur Gehäusebohrung bilden, abgedichtet sind.

Die oben erwähnten Schriften beschreiben Drehkolbenverdichter, die eine form-, oder kraftschlüssige Verbindung der Rotoren mit den Dichtscheiben aufweisen, und dadurch die durch Fertigungstoleranzen, Wärmedehnungen und Verschleiß bewirkten Abweichungen in der Anlage der Rotorerzeugenden zur Gehäusebohrung nicht ausglei-15 chenkönnen. Außerdem kann der in WO-Al-81/00278erwähnteLader nur mit halber Motordrehzahl (4 Takt-Motor) betrieben werden, da dieeinzelnen Druckräume von jeeinem Motoreinlaßventil begrenzt werden. Dies hatzur Folge, daß die Förderleistung bei vorgegebenem Bauraum, gegenüber einem mit frei wählbarer Antriebsdrehzahl (1,5 bis 2facher Motordrehzahl) laufenden Lader, verhältnismäßig gering ist. Nach EP-A2-147656 (Fickelscher) ist eine Rollmembrane bekannt, die mit ungleichmäßig über den Membraninnendurchmesser verteilten Wälzlageraußen· 20 ringen an die Gehäusebohrung gepreßt und deformiert wird, sodaß über einen bestimmten Winkelbereich die Membran den gleichen Durchmesser wie die Gehäusebohrung annimmt. Die axiale Abdichtung erfolgt gegen eine feststehende Gehäusewand und es ist kein elastischer Ausgleich angegeben.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Drehkolbenverdichter zu konstruieren, der die Abdichtungs-, Reibungs-, und Verschleißproblematik weiter verbessert, einen einfachen kompakten Aufbau aufweist, und der 25 besonders durch seine Leistungsdaten, dem Verschleiß, denEinbaumaßenunddemHerstellaufwandgeeignetfürdie

Anwendung in schnellaufenden Brennkraftmaschinen ist

Vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß der als dünnwandiges Rohr ausgebildete Rotor, durch mindestens zwei in die Scheiben eingepreßte Bolzen oder Rohre, über mit der Rohrinnenwand verbundenen Führungen gegen dieGehäusebohrunggepreßtunddabei oval verformt wird. DieDrehmomentenübertragungerfolgt 30 daher in vorteilhafterweise nicht über Scheibe und Rotorstimfläche, sondern von den Scheiben zu einem Bereich der

Rotorinnenwand der außerhalb des Abplattungsbereiches liegt, sodaß eine geringe radiale Beweglichkeit der Rotorstimflächen gegenüber den Scheiben speziell im Kontaktbereich mit der Bohrung gewährleistet ist. Der Rotor kann dadurch Verschleiß und Fertigungsungenauigkeiten mit einer radialen Nachstellbewegung ausgleichen.

Dieser Ausgleich wird weiter verbessert, wenn die Führungen als elastische Büchsen, die in axialer Richtung 35 Winkelfehler ausgleichen, ausgeführt sind. Es wird dadurch eine Anlage des Rotors über die gesamte Breite ohne Verspannung der Bolzen bewirkt.

Die axiale Abdichtung der Rotorstimflächen gegen die mitlaufenden Scheiben, wird in vorteilhafter Weise dadurch verbessert, daß die Scheiben zweigeteiltunddurcheineelastischeZwischenschichtgetrenntausgeführt sind. Durch die axial federnde Wirkung wird auch bei Auftreten von Wärmedehnungen noch eine ausreichende 40 Abdichtung ermöglicht.

Zur Verbesserung der Reibungsverluste können, im Bereich der Kontaktfläche mit der Gehäusebohrung am Rotorumfang ein oder mehrereNuten eingearbeitet sein, die als Lagerang für Lagemadeln dienen. Diese Nadeln sind vorzugsweise aus gehärtetem Stahl oder verschleißfestem Kunststoff ausgeführt und vermindern durch Abrollen in der Gehäusebohrang wesentlich die Reibung. Da zwischen Nadelstimflächen und Scheiben ein enger Spalt 45 notwendig ist, sind mehrere Nadeln hintereinander angeordnet, die abwechselnd an der linken oder der rechten Scheibe anliegen, um auf diese Art einen Labyrinthspalt zu bilden.

In vorteilhafter Weise kann das Trennelement als ein im Gehäuse geführter Kreiszylinder oder als kreisrundes Rohr ausgebildet sein, das mit einer Feder gegen den Rotor gepreßt wird. Da das in einer Gleitführang gelagerte Rohr über Reibschluß vom Rotor in Drehung versetzt wird, tritt Rollreibung statt Haftreibung mit wesentlich geringeren 50 Reibwerten und Verschleiß auf. Die Verwendung eines federbelasteten kreiszylindrischen Körpers als Trennelement für eine Flüssigkeitspumpe ist nach DE-OS 25 56 654 bekannt. Der Zylinder arbeitet hier aber nicht als Auslaßschieber, die Federanordnung bremst die Drehbewegung des Trennzylinders.

Ein weiteres Kennzeichen der Erfindung ist es, daß die Federais Blattfeder ausgebildet ist, die in Rotordrehrichtung durchgebogen wird, wobei sich der Berührungspunkt der Blattfeder am Rohramfang in Richtung der, durch den 55 RotoraufdasRohrübertragenen,Drehbewegung bewegt. Beim Aufliegen einer Feder wiez. B. einer Schraubenfeder auf dem Trennzylinder entsteht ein Reibwiderstand, der die Drehbewegung behindert. Durch die Wahl einer geeigneten Krümmung und Durchbiegerichtung einer Blattfeder kann dieser Nachteil in einen Vorteil umgewandelt werden, da dabei die Drehbewegung des Trennzylinders bei der Durchbiegung unterstützt wird. -2-

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Der Raum zwischen Rohr, Blattfeder und Trennzylinderführung kann als Verdichtungsraum, genützt werden. Dieser Verdichtungsraum kann mit einer konischen Treibdüse verbunden sein, die in einer düsenförmigen Verengung des Ansaugkanales mündet Es wird unter Nutzung des Treibstrahleffektes eine bessere Füllung des Saugraumes erzielt S Es kann weiters in der Trennzylinderführung eine Auslaßöffnung vorgesehen sein, die je nach Hublage des

Rohres, mit dem Druckraum verbunden oder getrennt ist Im Gegensatz zu üblichen federbelasteten druckseitigen Flatterventilen, die für höhere Drücke ungeeignet sind, wird erfindungsgemäß ein Auslaßschieber dargestellt, der auch bei hohen-Förderdrücken schwingungsunempfindlich ist und keine mechanischen Geräusche verursacht

Eine besonders einfache Form des Trennelementes ergibt sich dadurch, daß eine am Gehäuse fixierte Blattfeder 10 verwendet wird, deren freies Ende auf dem Rotor unter Vorspannung aufliegt und bei maximaler Durchbiegung in die Auslaßöffnung ausweicht. Als Gehäuse kann daher ein einfaches Rohr verwendet werden. Eine Verbesserung der Schwingungsanfälligkeit von Blattfederventilen kann dadurch erreicht werden, daß das Auslaßblattfederventil durch die oben erwähnte Blattfeder zwangsgesteuert wird. Die Vorspannung wird gerade so hoch gewählt, daß ein Aufreißen durch eine Druckwellenspitze sicher verhindert wird. 15 Zur Erzielung eines besonders gleichmäßigen Förderverlaufes kann der Rotor aus mehreren, durch mitrotierende

Scheiben in axialer Richtung getrennte zylindrische Teilrotoren ausgefuhrt sein, die zentralsymmetrisch angeordnet sind. Die Rotoren haben gegenüber einem einzigen Rotor mit gleichem Durchmesser und Förderleistung geringere Breiten, sodaß sie sich leichter an die Bohrung anschmiegen und damit eine bessere Dichtwirkung erzielen.

Ein kompakter Einbau, der den verbauten Raum z. B. einer Verbrennungskraftmaschine nur gering vergrößert, 20 kann durch den Einbau ineinLuftsammelrohreiner Verbrennungskraftmaschineerfolgen, wobei das Luftsammelrohr auf Höhe der Antriebswellenmitte in einen Druckraum und einen Saugraum geteilt ist. Die Auslaßöffnungen der Teilrotoren münden in einem gemeinsamen Sammelraum aus dem dann die einzelnen Zylinder gleichmäßig versorgt werden. Durch diesen Einbau wird auch eine wesentliche Reduzierung der Strömungsgeräusche erzielt, da der Lader mit einem zweiten Gehäuse umgeben ist. 25 Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus nachfolgenden Zeichnungen und Erläuterungen von

Ausführungsbeispielen hervor.

Fig. 1 zeigt den Querschnitt der erfindungsgemäßen Ausführung eines Drehkolbenverdichters.

Fig. 2 zeigt einen Teilausschnitt des Ansaugbereiches in einer anderen erfindungsgemäßen Ausführung

Fig. 3 zeigt eine Längsansicht des erfindungsgemäßen Drehkolbenverdichters in ein»1 Vierrotor-Ausführung 30 Fig. 4 zeigt einen Querschnitt einer besonders kompakten Ausführung der Erfindung in einer Motoreinbau situation

Fig. 1: In der Bohrung (1) eines Gehäuses rotiert exzentrisch und gegen den Uhrzeigersinn ein dünnwandiges Rohr (2) mit zwei am Innendurchmesser angelöteten elastischen Büchsen (3', 3"). die in zwei symmetrisch zu den Gehäusemittelachsen angeordneten Bolzen (13', 13") gelagert sind. Die Büchsenposition wird dabeiso gewählt, daß 35 es nach der Montage des Rotors (2) zu einem Anpressen an die Bohrung (1) und einer geringen Abplattung desRotors (2) an der Kontaktstelle kommt Im Bereich der Abplattung sind Quemuten (4', 4", 4'") eingeprägt, die als Lagerung für drei Lagemadeln (5', 5", 5'") dienen. Durch diese Maßnahme wird die Gleitreibung in eine Rollreibung umgewandelt und in einfachster Form der Reibungsverlust vermindert. Als Lagemadeln (5', 5", 5’") können gehärtete Stahlnadeln, wie sie in Wälzlagern Verwendung finden oder Nadeln aus selbstschmierendem, verschleiß-40 festem Kunststoff eingebaut werden.

Der Arbeitsraum zwischen Rotor (2) und Bohrung (1) wird axial durch zwei kreisrunde Scheiben (6', 6"), die mit der Bohrung (1) einen Ringdichtspalt (7) bilden, begrenzt, und durch ein federbelastetes kreisrundes Rohr (S) in einen Saugraum (9) und in einen Druckraum (10) unterteilt Die Drehbewegung wird über Reibschluß von der Antriebswelle (11) auf die Distanzhülse (12) und die Scheiben (6', 6"), sowie durch die in den Scheiben (6', 6") 45 eingepreßten Bolzen (13', 13") auf den Rotor (2) übertragen. Die elastischen Büchsen (3', 3") gleichen in axialer Richtung fertigungsbedingte Winkelfehler aus und bewirken eine exakte Anlage des Rotors (2) über die gesamte Breite. Die Auslaßöffnung (14) ist in der radial in die Gehäusebohrung (1) mündende Trennzylinderführung (15) in der Verdichtungsphase vorerst durch das Rohr (8) abgedichtet Ab einer bestimmten Drehlage des Rotors (2) erreicht das Rohr (8) die Auslaßkante (16) und das verdichtete Medium kann über das Sammelrohr (17) zum Verbraucher 50 strömen. Um eine ausreichende Abdichtung zu gewährleisten, wird das Rohr (8) in vorteilhafter Weise durch eine Blattfeder (18), die mit dem fixen Ende durch den Verschlußdeckel (19) festgeklemmt ist, und mit dem freien Ende auf dem Rohrumfang aufliegt, gegen den Rotor (2) gepreßt. Die Durchbiegerichtung und der Berührungspunkt (20) der Blattfeder (18) ist dabei so festgelegt, daß bei der Durchbiegung, die vom Rotor (2) durch Reibschluß auf das Rohr (8) übertragene Drehbewegung unterstützt wird. 55 Fig. 2: Das Volumen das zwischen Rohr (8), Blattfeder (18), und Trennzylinderführung (15) eingeschlossen ist, wird beieiner Hubbewegung des Rohres(8) nach rechts verkleinert unddurch eine konischeTreibdüse (21) mithoher Geschwindigkeit in den Saugkanal (22) geblasen. Im Austrittsbereich ist der Ansaugquerschnitt durch eine -3-

Claims

AT 395 202 B düsenförmige Verengung (23) verkleinert, wodurch die Luftgeschwindigkeit vergrößert wird. Durch den Strahl aus der Treibdüse (21) wird nach dem bekannten Treibstrahlprinzip die Ansaugwirkung des Rotors (2) unterstützt und eine bessere Füllung erreicht. Bei der Hubbewegung nach links wird über ein Flatterventil (24) Luft vom Ansaugrohr (25) angesaugt. 5 Fig. 3: Um eine möglichst gleichmäßige Förderung zu »reichen weist der Verdichter vier axial hintereinander, zentralsymmetrisch angeordnete Rotoren (2', 2", 2'", 2"") auf, die durch Scheiben (6' bis 6'"") und den Ringen (26' bis 26'"") voneinander getrennt werden. Die Scheiben sind über Distanzstücke (12' bis 12"") mit der Antriebswelle (11) verspannt, sodaß sich ein ausreichender Reibschluß zur Drehmomentenübertragung ergibt Elastische Zwischenschichten (27* bis 27'"") bewirken, daß die Rotoren (2' bis 2"") nicht eingespannt, sondern 10 radial im Bereich der Kontaktstelle bewegbar bleiben und trotzdem kein Spalt zwischen den Scheiben (6' bis 6'"") und den Stirnflächen der Rotoren (2' bis2"")auftritt. Für eine Ausführung mit niedrigem Druckniveaukönnen diese elastische Zwischenschichten (27' bis 27'"") entfallen und die Scheiben einteilig ausgeführt werden. Als Abdichtung reicht hier ein klein» Spalt, der durch die Länge der Distanzstücke (12' bis 12" ") bestimmt wird, aus. Oder man könnte die Distanzstücke (12' bis 12"") wegfallen lassen und die Rotoren (2' bis 2" ") axial gegen die Scheiben 15 verspannen. Der Bereich der Kontaktstelle der Rotoren (2' bis 2"") mit der Bohrung (1) soll dabei, um eine exakte Anlage zu erreichen, vor dem Zusammenspannen ca. 0,1 mm üb» dem Scheibenumfang hervorragen. Die axiale Abdichtung der Rohre (8' bis 8'"'') erfolgt durch Stahlplatten (28' bis 28i«'), die an den Gehäusestimseiten mit Einstellschrauben (29', 29") justiert und an die Stirnflächen der Rohre (8' bis 8"") gedrückt werden. Zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und Wärmedehnungen sind elastische Zwischenschichten (30' bis 30'"") 20 vorgesehen. Zur Aufrechterhaltung einer exakten Führung der Rohre (8' bis 8"") sind die Auslaßschlitze (14' bis 14"") nicht über die gesamte Führungsbreite ausgeführt. Zum Ausgleich der Massenmomente sind Gegengewichte (31', 31") in die Scheiben (6', 6'"") eingeschraubt. Fig.4:Um einen besonders kompakten und einfachen Aufbau zu erreichen ist das Gehäuse hier als Rohr (32) aus Aluminium oder Kunststoff ausgeführt, daß an seinem Umfang Einlaßöffnungen (33) und Auslaßöffnungen (34) 25 aufweist. Die Abdichtung zwischen Saugraum (35) und Druckraum (36) erfolgt hier mit einer als Schleifer ausgeführten Blattfeder (37), die mit seinem freien Ende auf dem Rotorumfang mit Vorspannung aufliegt und bei maximaler Durchbiegung in die Auslaßöffnung (34) ausweichen kann. Eine zweite Blattfeder (38) verschließt dichtend unter Vorspannung die Auslaßöffnung (34). Durch die Drehung des Rotors (2) gegen den Uhrzeigersinn wird die Blattfeder (37) durchgebogen und drückt in der Folge über einen Anschlag (39) die Blattfeder (38) auf. 30 Für die Anwendung in Verbrennungsmotoren ist eine Ausführung mit vier axial hintereinander, in der Gehäusebohrung symmetrisch angeordnete Rotoren am günstigsten, da sich durch diese Anordnung ein Lader mit kleinem Durchmesser und eine Form ähnlich eines Luftsammelrohres ergibt. Außerdem erreicht man eine besonders gleichmäßige Förderung, da pro Umdrehung vier Fördervorgänge ablaufen. Durch den Einbau des mehrrotorigen Laders in das Luftsammelrohr ergibt sich eine besonders kompakte Einheit die ohne Schlauchverbindungen und 35 Konsolen auskommt. Das Luftsammelrohr ist auf Höhe der Antriebswellenmitte (40) in einen Flanschteil (41) und ein Zwischengehäuse (42) geteilt und durch zwei auf das Rohr (32) gelöteten Dichtleisten (43', 43") in einen Druckraum (44) und einen Saugraum (45) geteilt. Das Rohr (32) ist mit Formdichtungen (46', 46") zum Flanschteil (41) und Zwischengehäuse (42) abgedichtet. Der Luftfiltereinsatz (47) ist, nach Stand der Technik bei Saugmotoren, im Ansaugkasten (48) integriert. 40 PATENTANSPRÜCHE 45 1. Drehkolbenverdichter, mit einem kreiszylindrischen Rotor, der mit einer Erzeugenden in der Gehäusebohrung auf liegt und mit seinem Mittelpunkt exzentrisch um den Gehäusebohrungsmittelpunkt rotiert, einem Sperrelement, das den Arbeitsraum in einen Saugraum und Druckraum trennt, und zentrisch mitrotierenden zylindrischen Scheiben 50 die mit der Gehäusebohrung einen Ringdichtspaltbilden, dadurch gekennzeichnet, daß der als dünnwandiges Rohr ausgebildete Rotor (2), durch mindestens zwei in den Scheiben (6', 6") befestigte Bolzen (13', 13") oder Rohre, über mit der Rohrinnenwand verbundenen Führungen lagefixiert ist, gegen die Gehäusebohrung (1) gepreßt und dabei oval verformt wird.
2. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungen als elastische Büchsen (3‘, 3"), die in axialer Richtung Winkelfehler ausgleichen, ausgeführt sind. -4- AT 395 202 B
3. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (6', 6") zweigeteilt und durch eine elastische Zwischenschicht (27') getrennt ausgeführt sind.
4. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Kontakt- 5 fläche mit der Gehäusebohrung (1) am Rotorumfang ein oder mehrere Nuten (4', 4", 4"') eingearbeitet sind, die als Lagerung für Lagemadeln (5', 5", 5'") dienen.
5. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelementals ein im Gehäuse geführter Kreiszylinder oder als kreisrundes Rohr (8) ausgebildet ist das mit einer Feder gegen den Rotor 10 (2) gepreßt wird.
6. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder als Blattfeder (18) ausgebildet ist, die in Rotordrehrichtung durchgebogen wird, wobei sich der Berührungspunkt (20) der Blattfeder (18) auf dem Rohrumfang in Richtung der durch den Rotor (2) auf das Rohr (8) übertragenen, Drehbewegung bewegt. 15
7. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum zwischen Rohr (8), Blattfeder (18) und Trennzylinderführung (15) als Verdichtungsraum, genützt wird.
8. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Verdichtungsraum mit einer 20 konischen Treibdüse (21) verbunden ist, die in einer düsenförmigen Verengung (23) des Ansaugkanales (22) mündet
9. Drehkolbenverdichter nach Ansprach 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennzylinderführung (15) eine Auslaßöffnung (14) vorgesehen ist die je nach Hublage des Rohres (8) mit dem Druckraum (10) verbunden oder getrennt ist 25
10. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Trennelement als eine am Gehäuse (32) fixierte Blattfeder (37) ausgeführt ist, deren freies Ende auf dem Rotor (2) unter Vorspannung aufliegt und bei maximaler Durchbiegung in die Auslaßöffnung (34) ausweicht.
11. Drehkolbenverdichter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaßblattfederventil (38) durch die Blattfeder (37) zwangsgesteuert wird.
12. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor aus mehreren, durch mitrotierende Scheiben (6') in axialer Richtung getrennte zylindrische Teilrotoren (2') ausgeführt 35 ist, die zentralsymmetrisch angeordnet sind.
13. Drehkolbenverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau in ein Luftsammelrohr einer Verbrennungskraftmaschine erfolgt, wobei das Luftsammelrohr auf Höhe der Antriebswellenmitte (40) in einen Druckraum (44) und einen Saugraum (45) geteilt ist. 40 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 45 50 -5- 55