DD280570A1 - Rotationskolbenmaschine mit ringfoermigem arbeitsraum - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit ringfoermigem Arbeitsraum und beruehrungsfrei gedichteten Gasraeumen als Alternative zu Brennkraftmaschinen konventioneller Bauart. Bei Rotationskolbenmaschinen mit ringfoermigem Arbeitsraum unterliegen die Kolben und damit auch ihre Dichtungen einer wechselseitigen Druckbeaufschlagung. Diesen Umstand nutzend, werden aufgabengemaess beruehrungsfrei dichtende Labyrinthdichtungen verwendet. Diese sind unter solchen Bedingungen und ab einer gewissen Mindestfrequenz der Beaufschlagungswechsel in Abhaengigkeit von der Labyrinthgeometrie und dem jeweils anliegendem Druckgefaelle praktisch dicht, da der fuer Labyrinthdichtungen typische Leckstrom das Labyrinth nicht mehr verlaesst, sondern in ihm hin und her getrieben wird. Damit entfallen an diesen Stellen auch die fuer Beruehrungsdichtungen unumgaenglichen Reibverluste. Fig. 1

Description

Hierzu 4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Auf Grund der spezifischen Vorteile dieses Typs von Rotationskolbenmiischinen, (unwuchtfrei, geringes Masse-Leistungs-Verhältnis) bietet sich ihr Einsatz besonders dort an, wo ruhiger Lauf un i hohe Leistung bei geringem Masseaufwand gefragt sind. Im allgemeinen jedoch auch überall da, wo Brennkraftmaschinen I onventioneller Bauart Verwendung finden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Rotationskolbenmaschinen mit ringförmigen Arbeitsraum sind an sich bekannt. Rotationskolbenmaschinen diesen Typs, wie sie beispielsweise in den Erfindungsschriften

EP 006208V F01C 1/077;

DE3204542A1 F01C 1/077;

DE3046725A1 FOIC 1/073:

DE 3444023A1 F01C 1/063

beschrieben sind, bestehen generell aus zwei Kolbensystemen mli je mindestens einem Kolben, wobei die Kolben des einen Kolbensystems wechselweise mit den Kolben des anderen Kolbensystems im Eingriff sind und in einem Ringraum umlaufen.

Die für das Funktionsprinzip der Verbrennungsmotoren (nicht Gasturbinen) unumgänglichen volumenveränderlichen Räume werden durch eine Relativbewegung zwischen den beiden Kolbensystemen während des Gesamtumlaufes erzeugt, wobei diese Relativbewegung entweder mittels Zwangläufigkeit der beiden Kolbensysteme oder mit Hilfe von entsprechenden Freilaufanordnungen verwirklicht wird.

Unabhängig davon haben die Ringräume runde, bzw. eckige Querschnitte.

Bei einem Ringraum mit kreisförmigem Querschnitt („Torus") können unter Währung eines Mindestverhältnisses Ringraumradius-Querschnittsradius in Abhä igigkeit von ihrer Breite gewöhnliche Kolbenringe verwendet werden. Hierbei ist allerdings zu beachten, daß eine flächige Dichtung der Kolbenringe analog der Situation im Hubkolbenmotor nur nach einer gewissen .Einschleifzeit" gewährleistet ist (Krümmung der Mantelfläche des Ringraumos). Dadurch wird auch noch das für gewöhnlich unbehinderte Verwandern des Kolbenringes in seinem Sitz unmöglich gemacht. Diese relativ einfache Art der Abdichtung der Gasräume untereinander erfordert jedoch wie gesagt einen Rinyraum mit kreisförmigem Querschnitt, dessen Herstellung in den dafür heute üblichen Toleranzen sehr schwierig ist.

Bei Ringräumen mit eckigen Querschnitten (z.B. Rechteckquerschnitt) erfolgt die Abdichtung der einzelnen Gasräume untereinander mittels verschiedener, spezieller Dichtelemente (Dichtleisten, Dichtwinkel). Diese sind zwar aufwendiger als gewöhnliche Kolbenringe herzustellen, dafür aber ist die Fertigung von Ringräumen mit eckigen Querschnitten wesentlich einfacher.

Diese Dichtungen rind aber Berührungsdichtungen und bedingen auf Grund von Flächenkontakten wegen der Relativbewegungi r k.ierhalb der Dichtflächenpaariingen Gleitreibung (Reibung zwischen den Kontaktflachen und somit Reibverschleiß bzw. Erwärmung, und das bedeutet Energieverlust).

Außerdem sind solche Gleitpaarungen, um den Reibverschleiß in vertretbaren Grenzen zu halten, zu schmieren.

Ziel der Erfindung ist es, die Dichtungsverhältnisse dieser Art Rotationskolbenmaschine dahingehend zu verbessern, daß die Abdichtung der einzelnen Gasrsume untereinander ohne Gleitreibung erfolgt und daß infolge einer einfacheren Arbeitsraumgeometrie leichter herstellbare Ringräume möglich worden.

Darlegt ng des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht also darin, eine Rotationskolbenmaschine zu schaffen, bei der die Gleitreibung zwischen den Kolben und der Ringraummantelfläche einschließlich der damit verbundenen, unerwünschten Effekte aufgehoben und unter Wegfall komplizierter Dichtelemente eine einfache Ringraumgeometrie möglich ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dali dort, wo zwischen Ringraummantelfläche und Kolbenmantelflächen Relativbewegung auftritt, die Ringraummantelfläche unH/oder die Kolbenmanteifiächen berührungsfrei dichtende, an sich bekannte Labyrinthdichtungen aufweisen. Dem Einsatz von Labyrinthdichtungen kommt hierbei sehr entgegen, daß bei den besprochenen Rotationskolbenmaschinen an den Kolben im Prinzip gleichartige Druckverhältnisse wie bei doppelt wirkenden Hubkolbenmotoren odor auch sogenannten Freikolbenmotoren herrschen. Das heißt, an den Kolben, über deren Länge ja die Labyrinthdichtung wirkt, baut sich im Gegensatz zum konventionellen Gebrauch der La! yrinthdichtung in nur einer Richtung (vgl. Gas-und Dampfturbinen) immer wechselweise ein Druckmaximum zunächst aη der einen und dann wieder aη der anderen Kolbenstirnseite auf.

Eine Labyrinthdichtung wirkt auf einen Volumenstrom wie eine Drosselstrecke, d. h., sie verringert seine kinetische Energie und damit ihn selbst, indem sie seine Geschwindigkeit herabsetzt. Eine Labyrinthdichtung funktioniert daher in diesem Sinne immer mit einem gewissen Leckstrom, der sich je nach Gestaltung des Labyrinths und dem anliegendem Druckgefälle einstellt. Wird eine Labyrinthdichtung nun wechselweise beaufschlagt, so wird ab einer bestimmten Frequenz der Beaufschlagungswechsel (abhängig von der Labyrinthgeometrie und dem anliegendem Druckgefälle) C:,; Leckstrom das Labyrinth nicht mehr verlassen und die Labyrinthdichtung ist praktisch dicht, wobei währenddessen innerhalb des Labyrinths mit gleicher Frequenz eine Gasmasse schwingt.

Um diesen Effekt optimal auszunutzen, ist es angebracht, daß bei einer solchen Rotationskolbenmaschine alle Gasräume eines Ringraumes auch gleicher Funktion sind, d.h., es sollte überall der gleiche, jedoch für die Hälfte der Gasräume seitlich versetzte Druckverlauf vorliegen.

Das v-ird folgenderweise erreicht:

Entweder verwendet man eine aufge'adene Variante nach dem 2-Takt-Prinzip (Otto- oder Dieselverfahren) oder man verbindet die Kolbensysteme eines Ringraumes so mit den Kolbensystemen eines zusätzlichen Ringraumes, der im Rahmen einer 2-Takt-Variante die Vorverdichtung übernimmt, daß der Ringraum bestehend aus den Brennräumen über Steuerschlitze oder Ventile mit vorverdichtetem Arbeitsgas aus dem zusätzlichen Ringraum versorgt wird. Innerhalb der letztgenannten Variante kann das Verhältnis Volumen des Vorverdichtungsraumes/Braunnraumvolumen ziemlich einfach vorher konstruktiv festgelegt werden.

Weiterhin kann auch eine 4-Takt-Variante Verwendung finden, nur muß dann der Ablauf der einzelnen Takte entsprechend doppelt so schnell sein.

Dafür weniger geeignet (doch prinzipiell auch möglich) ist eine schlitzgesteuerte 2-Takt-Varianto mit einem in Brenn- und Vorverdichtungsräume geteilten Arbeitsraum, da jeweils an den Kolben zwischen Brenn- und Vorveroichtungsraum die Phase, in der der Vorverdichtungsraumdruck den Druck im Brennraum überwiegt, erheblich kürzer ist als die, innerhalb welcher der Brennraumdruck den Vorverdichtungsraumdruck übersteigt.

Wegen der berührungsfreien Abdichtung der einzelnen Gasräume untereinander ist eine Schmierung diesel Labyrinthdichtungen nicht erforderlich und könnie höchstens ihre Funktion beeinträchtigen.

Ausführungsbeispiel

Anhand eines Ausführungsbeispiels soil die Erfindung näher beschrieben werden. Dafür wurde eine Rotationskolbenmaschine (2-Takt-Vaiiante; Otto-Verfahren) bestehend aus zwei R'ngräumen, deren Kolbensysteme 1; 2 jeweils starr miteinander verbunden sind, ausgewählt

Eszeigen:

Fig. 1: oinen Kolben des Kolbensystems 1 in einem Ausschnitt des Ringraumes für wechselseitige Druckbeaufschlagung mit

einer möglichen Anordnung der Labyrinthe; Fig.2: einen Axialschnitt durch d> Rotationskolbenmaschine; Fig.3: einen Radialschnitt A-Agemäß Fig.2; Fig.4: eine schomatische Abwicklung der Kolbenanordnung in der Draufsicht zur Darstellung der Wirkungsweise der

Steuerschlitze und Fig. 5: die Prinzipskizze einer weiteren Möglichkeit der Verbindung zweier Ringräume.

Im nachfolgenden nähere Ausführungen zu Fig. 2 und 3:

Der eine Ringraum V dient der Vorverdichtung und versorgt den anderen in Brennräume aufgeteilten Ringraum B mit vorverdichtetem Arbeitsgas. Die Koibfinsysteme 1; 2 sind so gestaltet, daß sie gleichzeitig die Ringraumbegrenzung mit bilden. In jedem Ringraum laufen pro Kolbensystem 1; 2 zwei Kolben um und zwar so, daß dort, wo zwischen Kolbenmantolflächen und Ringraummantelfiäche infolge der Relativbewegung der beiden Kolbensysteme 1; 2 Gleiten auftreten würde, ein minimaler Spalt erhalten bleibt, wobei die Kolben zur Erzielung der Dichtwirkung einer Labyrinthdichtung entsprechende Labyrinthe 4 aufweisen (Fig. 1). Somit sind die einzelnen Gasräume untereinander berührungsfrei gedichtet. Für die Abdichtung der Ringräume gegenüber der Umgebung sind keine Labyrinthdichtungen vorgesehen, da dort ihre positive Wirkung infolge wechselseitiger Druckbeaufschlagung wie beispicls-.veise an den Kolben (siehe Erfindungsbeschreibung Punkt 5) nicht gegeben ist. Hier werden üblicherweise gewöhnliche (Wellen·) Dichtringe 3 verwendet.

DieTreibstoffver-und -entsorgung soll in an sich bekannter Weise über das Kolbensystem 2 erfolgen. Ebenfalls in bekannter Weise wird die Relativbewegung zwischen dsn beiden Kolbensystemen 1; 2 gewährleistet; entweder zwangläufig oder mittels entsprechender Freilaufanordnungen

Aus Fig.4 steht die Taktfolge dieser Rotationskolbenmaschine hervor.

Claims (2)

1. Rotationskolbenmaschine mit ringförmigem Arbeitsraum, bestehend aus zwei Kolbensystemen mit je mindestens einem Kolben, die sich in diesem Ringraum in wechselseitigem Eingriff befinden und sich darin mit einer Drehbewegung bewegen, die aus einer möglichen Gesamtdrehbewegung und einer dieser überlagerten Relativdrehbewegung der Kolbensysteme zueinander, erreicht durch Zwangläufigkeit der Kolbensysteme oder durch entsprechende Freilaufanordnungen, resultiert, wobei die Treibstoffver- und -entsorgung über eins, bzw. beide Kolbensysteme oder über ein feststehendes Gehäuse erfolgen kann, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle, wo bisher auf Grund der Relativbewegung der Kolbensysteme (1; 2) zueinander zwischen Kolbenmantelfläche (bzw. Dichtungsflächen) und Ringraummantelfläche Gleiten auftritt, ein minimaler, die Berührung und damit dieses Gleiten verhindernder Spalt (5) vorgesehen ist und daß diese Flächen (Ringraummantelfläche und/oder Kolbenmantelfläche) entsprechende Labyrinthe (4) oder labyrinthähnliche Einrichtungen mit gleicher Wirkung aufweisen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Ringraum, dessen Kolbensysteme (1; 2) starr mit denen des ersten Ringraumes verbunden sind, koaxial in der gleichen oder einer dazu parallelen Ebene angeot dnet ist und daß entweder unter Verwendung des 2-Takt-Prinzips, so daß ein Ringraum die Vorverdichtung und ein weiterer die Verbrennung übernimmt oder durch Zugrundelegung des 4-Takt-Prinzips in allen Gasräumen des jeweiligen Ringraumes gleiche (für die eine Hälfte der Gasräume lediglich zeitlich versetzte) Druckverläufe vorliegen.