DE102004060518A1

DE102004060518A1 - Rotierende Verdrängermaschinen, insbesondere Verbrennungsmotor, Verdichter sowie Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE102004060518A1
Application number: DE102004060518A
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilhelm Moellmann
Original assignee: Mollmann Hans-Wilhelm Dipl-Ing
Current assignee: Mollmann Hans-Wilhelm Dipl-Ing
Priority date: 2004-03-04
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: DE102004060518B4

Abstract

Bei den Hubkolbenmaschinen wird ein Kurbeltrieb oder ein aufwendiges Getriebe zur Umwandlung der Arbeitsbewegung benötigt. Die Kreiskolben-Wankelmaschine benötigt einen schwer zu fertigenden und schwierig abzudichtenden Arbeitsraum.
Gegenüber den weiterhin vorliegenden Erfindungen soll diese Erfindung, bei Ausführung als Verbrennungsmotor, kein aufwendiges Getriebe enthalten und mit höherem Wirkungsgrad arbeiten, bei Anwendung auf eine Pumpe der hydraulische Wirkungsgrad verbessert, die Pulsation verringert und ein einfacherer Aufbau erreicht werden.
Die wesentlichen Merkmale sind,
die Verdränger (V) rotieren in einem Ringraum,
die Fluidzuführung erfolgt über Steuernuten (N) ohne Ventile,
die Anzahl der Dichtspalte ist minimiert,
mehrere Arbeitsräume können nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden,
in der Anwendung als Motor hat dieser keinen nennenswerten Schadraum,
die Verdrängerkörper sind gegebenenfalls zylinderförmig,
die Koppelstelle (3) ist gegebenenfalls als Magnetkupplung ausgeführt.
Fig. 1 zeigt die Ausführung als Verbrennungsmotor.
Der kreisrunde Arbeitsraum wird von zwei Verdrängern (V₁ und V₂) in zwei Räume geteilt, wobei der Arbeitsraum exzentrisch (e) zu der Antriebswelle (1) angeordnet ist und die Verdränger zu der Antriebswelle durch die Scheibe (2) und den entsprechenden Führungsnuten so gekoppelt sind (3), dass pro ganzem Umlauf 2 Verdichtungen und 2 Arbeitshübe erfolgen. In der Verdichterstufe erfolgt der ...

Description

Es ist bekannt, das eine Vielzahl von Verdrängermaschinen mit translatorischer Bewegung des Verdrängers (Kolbenmaschinen) wie Otto- und Dieselmotor, Kolbenverdichter und Kolbenpumpen auf dem Markt erhältlich sind. Diesen Maschinen ist gemeinsam, dass sich das Arbeitsfluid während des Verdichtungs- und Entspannungsvorgangs in einem wechselseitig von Saug- und Druckventil verschlossenem Raum befindet und dass die translatorische bzw. rotierende Arbeitsbewegung mittels eines Kurbeltriebes umzuwandeln ist.

Durch den abgeschlossenen Verdichtungsraum und die gut dichtenden Flächendichtstellen ist es bei diesen Maschinen möglich, große Druckverhältnisse zu erreichen.

Der Nachteil dieser Maschinen ist die aufwendige Umwandlung der Bewegung mittels eines Kurbeltriebes sowie die Eigenschaft dieser Kinematik, pro Umdrehung nur einen Druck- bzw. Ansaughub auszuführen und damit bei der Einzylinder-Ausführung nur eine stark pulsierende Förderung zu ermöglichen.

Weiterhin ist eine große Vielzahl von rotierenden Verdrängermaschinen zu nennen, wobei nur der Viertakt-Wankel-Kreiskolbenmotor im wesentlichen Umfang zu einer praxisgerechten Betriebsfähigkeit als Verbrennungsmotor entwickelt wurde.

Nachteile dieser Maschine sind die schmalen Dichtleisten (Linienabdichtung) sowie die aufwendige Kinematik mit den entsprechend hohen Anforderungen an die Fertigung.

Die Vielzahl der Rotations-Verdrängermaschinen wie z.B. das Rootsgebläse mit Ausnahme der Gruppe der „Treib- und Sperrschieberverdränger" (Flügelzellen-Maschinen) und Kreiskolbenmaschinen (Wankel-Maschine) benötigen für die gegenläufig rotierenden, im Kämmeingriff befindlichen Verdränger zwei Wellen, die durch ein Getriebe zu synchronisieren sind.

Eine Verdrängermaschine mit geschlossenen Arbeitsräumen, die ebenfalls keinen Kurbeltrieb benötigt, zeigt die Druckschrift 2338825. Hier macht der Verdränger eine durch einen Exzenter bewirkte, kreisende Bewegung, wobei der Arbeitsraum durch zwei Blattfedern, die der Bewegung folgen, in Druck- und Saugseite geteilt wird. Der Nachteil liegt hier in der begrenzten mechanischen Belastbarkeit der Federn.

Eine weitere in diese Kategorie fallende Erfindung zeigt die Druckschrift 165071.

Diese Erfindung beschreibt eine Verdrängermaschine, die ohne Kurbeltrieb arbeitet, was durch eine zur Verdichterrotationsachse exzentrisch angeordneten Antriebswelle erreicht wird. Weiterhin kann diese Maschine mit geschlossenen Verdichterräumen ausgeführt werden.

In der vorliegenden Ausführung ist die Erfindung aber aufgrund der ungenügende Trennung zwischen Strömungs-Druck- und Saugseite nicht geeignet, um höhere Verdichtungsverhältnisse mit einem guten hydraulischen Wirkungsgrad zu bewältigen. Weiterhin ist die vorliegende Ausführung aufgrund der dargestellten Fluidzuführung nicht als Verbrennungsmotor einsetzbar.

Die Druckschrift 322403 zeigt einen ventillosen Verbrennungsmotor mit ringförmigen Arbeitsraum. Der Nachteil ist hier die sehr aufwendige Kinematik mittels eines Planetengetriebes sowie entsprechende Pleuelstangen. Das größte Problem der Kolbenmaschinen „der Kurbeltrieb" mit den hohen Beschleunigungskräften kann somit von dieser Erfindung nicht vollständig gelöst werden.

Quellen:

.Verbrennungskraftmaschinen, Klaus Groth, 1994, Vieweg – Verlag
.Hydraulische Kolbenmaschinen, Klaus Groth, 1996, Vieweg – Verlag

Diese angeführten Probleme werden durch die in Patentanspruch 1 bis 6 aufgeführten Merkmale gelöst.

Am Beispiel „Verdrängerpumpe" 4 und 5:
nach Patentanspruch 1 und 5
Verdrängerpumpe mit im Ringraum rotierenden, segmentförmigen Verdrängern (V), die über eine exzentrisch zum Verdrängerraum angeordneten Welle (1), auf der eine entsprechende Mitnahmescheibe (2) angebracht ist, angetrieben werden bzw. antreiben,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Patentanspruch 1 bei dieser Anwendung die Verdränger an der Wandung des feststehenden Gehäuses umlaufen. Steuernuten (N) sind hier gegebenenfalls nur zum Volumenausgleich zwischen den Verdrängern erforderlich (siehe Bem. Zeile 118–123),
das die Verdränger (V1 bis V4) nach Patentanspruch 5 zylinderförmig (in Rotationsebene rund) ausgeführt sind, welche genau in den Ringraum eingepasst sind und direkt von der Mitnahmescheibe (2) über die Koppelstelle (3) angetrieben werden. Der Ringraum ist hier rotationsymmetrisch ausgeführt.
Bei inkompressiblen Medien ist darauf zu achten, dass die zwischen den Verdrängern eingeschlossene Flüssigkeit nicht „gequetscht" wird, d.h. der Spaltverlust und die Volumenverminderung zwischen zwei benachbarten Verdrängern muss durch konstruktive Maßnahmen (Steuernuten) aufeinander abgestimmt werden.
Die dargestellte Pumpe macht vier Saug- und vier Druckhübe pro Umdrehung.
Der Mittelpunkt des jeweiligen Verdrängers bewegt sich zum Mittelpunkt der Antriebswelle (1) entlang der Kurve (6): rvi = e·cos φ + (e·(cos2 φ – 1) + ri 2)0.5 mit:

e: Exzentrizität,
φ: Winkelstellung des jeweiligen Verdrängers,
r_i: mittlerer Radius des ringförmigen Arbeitsraumes

Die Volumenänderung zwischen zwei Verdrängern bestimmt sich mit: ΔV = n·A·Σ(rv1 (φ) – rv2 – (φ)) Δφmit:

A: = konst. Querschnitt des Ringraumes
rv1/rv2: = Mittelpunktradius von Verdränger 1/2 zur Antriebswelle
n: = 4 Verdränger

Dieses angewendet über 180° ergibt in diesem Fall das Fördervolumen pro Umdrehung.
erreichte Vorteile:
Im Vergleich mit den Drehkolbenmaschinen mit Kämmeingriff (z.B. Rootsgebläse) benötigt diese rotierende Verdrängerpumpe nur eine Antriebswelle. Jeweils zwei Verdrängerkörper trennen die Druck- von der Saugseite, wodurch die Spaltverluste gegenüber den Kreiskolbenpumpen geringer sind. Die Spaltströmung zwischen dem Verdränger und den umgebenden Wänden dient als hydrodynamische „Gleitlagerung".
Gegenüber der Patentschrift 165071 ist der Aufbau wesentlich einfacher, da die Verdränger keine separate Lagerung benötigen und direkt in der Mitnahmescheibe gleiten. Diese Pumpe erreicht außerdem eine sehr pulsationsarme Förderung mit 4 Saug- und 4 Druckhüben pro Umdrehung.
Weiterhin ist es bei dieser Ausführung möglich, den Ringraum eine vom Kreisring abweichende Form zu geben, um eine gleichmäßige Beschleunigung der Verdränger zu erzielen, wodurch ein verbessertes Saugverhalten der Pumpe erreicht wird.
Am Beispiel des ventillosen Verbrennungsmotors nach 1:
Der in Patentanspruch 1 bis 4 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine neuartige rotierende Verdrängermaschine bereit zu stellen, die die Voraussetzung des Verbrennungsmotors „die Verdichtung in einem geschlossenen Arbeitsraum" erfüllt, wie dieses bei den Hubkolbenmaschinen der Fall ist, dieses weiterhin durch eine rein rotatorische Bewegung der Verdränger zu erreichen, die sich zudem reibungsarm in einem leicht anzufertigenden, die Verdränger vollständig umschließenden kreis- bzw. ringförmigen Arbeitsraum bewegen sollen, wodurch eine Flächenabdichtung der Verdränger zu den Außenwänden möglich wird. Weiterhin soll eine Ausführung bereitgestellt werden, die ohne aufwendiges Getriebe auskommt. Die verwendete Kinematik soll frei von freien Beschleunigungskräften sein. Der Motor soll keine Ventile benötigen und den thermodynamischen und mechanischen Wirkungsgrad der bestehenden Verbrennungsmotore erreichen bzw. erhöhen.
Verbrennungsmotor,
mit im Ringraum rotierenden, segmentförmigen Verdrängern (V1, V2), die über eine exzentrisch (e) zum Verdrängerraum angeordneten Welle (1), auf der eine entsprechende Mitnahmescheibe (2) angebracht ist, angetrieben werden bzw. antreiben,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Patentanspruch 1 (1) die Verdränger (V1 und V2) am
vollen Umfang genau in das Gehäuse eingepasst sind und die Gaszu- bzw. abführung über im Gehäuse eingebrachte Steuernuten (N1 und N2) erfolgt.
dass entsprechend Patentanspruch 2 (3) die segmentförmigen Verdränger (V1 und V2), in dem Fall, dass sie eine rechteckige Form besitzen, seitlich jeweils auf einer ringförmigen Scheibe (1, 2) aufgebracht sind, wobei zusätzlich ein Verdränger (hier V2) auf einen rohrförmigen Ring (3) aufgesetzt ist, wodurch die für die Leckage zwischen Druck- und Saugseite maßgebliche Spaltlänge minimiert wird, bzw, wodurch die für die Motorabdichtung erforderlichen Dichtelemente auf ein Mindestmaß reduziert werden. Diese Spaltlänge beträgt hier 2 × (B + L). Bei der Darstellung wurde nur dieser Sachverhalt wiedergegeben. Die Lagerstellen sowie die Koppelstellen der Verdränger wurden nicht dargestellt.
dass nach Patentanspruch 3 (1) bei dieser Ausführung zwei Arbeitsräume nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und die Arbeitsräume in diesem Fall axial über eine Bohrung so verbunden wurden (4), dass der Verbrennungsmotor ohne Ventile als Viertaktmotor arbeitet. In der ersten Stufe, die als Verdichter zu bezeichnen ist, erfolgt der Ansaugvorgang des Frischgases, die Einspritzung des Kraftstoffes, und die anschließende Verdichtung und Übergabe zum Verbrennungsraum. In der zweiten Stufe erfolgt die Verbrennung, Expansion der Verbrennungsgase und der Ausschub der Gase.
dass nach Patentanspruch 4 (1) die Volumina (A1, A2, A3) und die Öffnungsweiten (S1, S2, S3) der Arbeitsräume so aufeinander abgestimmt sind, dass die Übergabe der Kompressionsgase ohne nennenswerten Schadraum erfolgt und dass bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis A1/A2 das entsprechende Entspannungsverhältnis A3/A2 im Hinblick auf eine Wirkungsgradverbesserung gegenüber dem Otto- bzw. Dieselmotor mindestens gleich oder größer ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Kolbenfläche (hier B × L) der Verbrennungsstufe um soviel größer ausgeführt wird, als die Kolbenfläche des Verdichters, so dass gerade das Verhältnis der Öffnungswinkel S3/S2 erreicht wird, das dem gewünschten Entspannungsverhältnis A3/A2 entspricht.
erreichte Vorteile:
Die beschriebene Maschine benötigt als Gasverdichter keine Ventile und keinen aufwendigen Kurbeltrieb sowie kein aufwendiges Getriebe.
Bei der Anwendung als Verdichter ist auch ohne zusätzliche Dichtleisten bei der mit heutigen Fertigungstoleranzen erreichbaren, geringen Spalthöhe und der hier optimierten Spaltlänge ein hydraulischer Verdichtungswirkungsgrad von 80% (Verdichtungverhältniss: 5 : 1, n = 3000 1/min) erreichbar.
Bei der Anwendung als Verbrennungsmotor ist dadurch, dass die Verbrennungsgase gegenüber dem Verdichtungsverhältnis eine größere Entspannung erfahren, im Gegensatz zu Hubkolbenmaschinen bei denen das Verdichtungsverhältnis dem Verhältnis der Entspannung entspricht, ein erhöhter thermodynamischer Wirkungsgrad erreichbar, da aufgrund der größeren Entspannung die Abgastemperatur sinkt. Durch den fehlenden Kurbeltrieb ist weiterhin eine Steigerung des mechanischen Wirkungsgrades erreichbar.
Berechnungsbeispiel: Bei einem Verdichtungsverhältnis von 11 erreicht ein Ottomotor im idealen Vergleichsprozess einen Wirkungsgrad von 62%. Würde bei gleichem Verdichtungsverhältnis das Abgas weiter entspannt auf das Verhältnis 16 : 1, so ergäbe sich ein thermodynamische Wirkungsgradverbesserung von 6%.
Am Beispiel der ventillosen und magnetgekuppelten Verdrängerpumpe nach 2.
Das auf der Basis der Patentansprüche 1, 2 und 6 aufgebaute Konzept, soll eine aus nur wenigen Teilen bestehende Verdrängerpumpe mit zuverlässigem Dichtungskonzept bereitstellen, wobei ein hoher hydraulischer Wirkungsgrad und eine Ausführung ohne die Verwendung von verschleißende Abdichtungen/Dichtleisten erreicht werden soll.
Verdrängerpumpe,
mit im Ringraum rotierenden, segmentförmigen Verdrängern (V1, V2), die über eine exzentrisch (e) zum Verdrängerraum angeordneten Welle (1), auf der eine entsprechende Mitnahmescheibe (2) angebracht ist, angetrieben werden bzw. antreiben,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Patentanspruch 1 die Verdränger (V1 und V2) am vollen Umfang genau in das Gehäuse eingepasst sind und die Flüssigkeitszu- bzw. abführung über im Gehäuse eingebrachte Steuernuten (N1 und N2) erfolgt.
dass entsprechend Patentanspruch 2 (3) die segmentförmigen Verdränger (V1 und V2), in dem Fall, dass sie einer rechteckige Form besitzen, seitlich jeweils auf einer ringförmigen Scheibe (2) aufgebracht sind, wobei zusätzlich ein Verdränger (hier V2) auf einem rohrförmigen Ring (3) aufgesetzt ist, wodurch die für die Leckage zwischen Druck- und Saugseite maßgebliche Spaltlänge minimiert wird. Diese Spaltlänge beträgt hier 2 × (B + L). Bei der Darstellung wurde nur dieser Sachverhalt wiedergegeben. Die Lagerung (als Gleitlagerung) wird bei diesem Verdrängerkonzept direkt durch die Verdrängerkörper realisiert.
dass die Koppelstelle nach Patentanspruch 6 zwischen Verdränger und An- Abtriebsscheibe (2) als Magnetkupplung ausgebildet ist, wobei auf dem Verdrängerkörper (V1, V2) in diesem Fall je ein eliptischer Magnet (M1) eingebracht ist, welcher die Magnetkraft durch eine feststehende, am Gehäuse angebrachte, dünne Scheibe (S) und durch die dazwischen befindlichen Spalten auf ein in diesem Fall rechteckigen Magneten (M2) überträgt, welcher auf der Antriebsscheibe angebracht ist und dessen Längsrichtung vom Zentrum der Antriebsscheibe nach Außen weist, wobei der eliptische Magnet im Verlauf einer vollen Umdrehung der An- Abtriebsscheibe (2) die rechteckige Magnetfläche zwei Mal durchläuft.
erreichte Vorteile:
Durch die Drehmomentübertragung mittels Magnetkupplung wird der Verdichter oder die Pumpe zur Umgebung hermetisch abgedichtet. Es gibt keinerlei Wellendurchführung, die eine mögliche Undichtigkeit zur Umgebung hervorrufen könnte.
Weiterhin arbeitet diese Art der Drehmomentübertragung vollständig verschleißfrei.
Die in Patentschrift 165071 beschriebene Koppelstelle, bestehend aus Führungsnut und Gleitschuh hat nach wie vor ihre Berechtigung. Neue Technologien machen es aber möglich, die Drehmomente auch durch Magnetkräfte zu übertragen. Die heute zur Verfügung stehenden Magnetwerkstoffe wie Eisen-Neodym oder Samarium-Kobalt haben hohe Magnetfelder, die dies ermöglichen. Diese Art der Kraftübertragung findet sich heute sehr häufig bei Chemie-Kreiselpumpen, die toxische Medien fördern.
Eine andere Variante zur Ausbildung der Koppelstelle, die hier nicht dargestellt ist, besteht aus einer Kombination einer Führungsstange mit einer Kugelrollspindel. Die Kugelrollspindel welche auf dem Verdrängerkörper befestigt ist, rollt auf der Führungsstange ab, die auf der Antriebsscheibe befestigt ist. Kugelrollspindeln sind fertige Konstruktionselemente die von verschiedenen Wälzlagerfirmen angeboten werden.
Die segmentförmigen Verdränger in Verbindung mit der Flüssigkeitszuführung über Nuten (N) nach Patentanspruch 1 und der geringen Spaltfläche nach Patentanspruch 2 ermöglichen eine gute Abdichtung der Saug- gegenüber der Druckseite der Pumpe, wodurch hohe hydraulische Wirkungsgrade erreicht werden.
Zusätzliche ringförmige Magnete (nicht dargestellt), die in das Gehäuse sowie in die Verängerringe eingebracht werden können, ermöglichen auch die Ausführung einer Magnetlagerung sowohl in axialer als auch radialer Richtung, wodurch auch eine Ausführung als trockenlaufende Vakuumpumpe möglich wird.

Claims

rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen, mit im Ringraum rotierenden, segmentförmigen Verdrängerkörpern (V), die über eine exzentrisch zum Verdrängerraum angeordneten Welle (1), auf der eine entsprechende Mitnahmescheibe (2) angebracht ist, angetrieben werden bzw. antreiben, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung auf eine Verdrängerpumpe, einen Verdichter bzw. Verbrennungsmotor, die Verdränger als vollständig geschlossene Körper ausgeführt sind, welche an der Wandung des feststehenden Gehäuses umlaufen und die Fördermediumzu- bzw. abführung von Außen über am Gehäuseumfang eingebrachte Steuernuten (N) erfolgt, deren Querschnitt dem in Umfangrichtung schwankenden Volumenstrom gegebenenfalls anzupassen ist.
rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet (3), dass in dem Fall, bei dem die Verdränger segmentförmig und in der Regel mit rechteckiger Kolbenfläche ausgeführt werden, sie seitlich jeweils auf einer ringförmigen Scheibe (1, 2) aufgebracht sind und zusätzlich mindestens ein Verdränger auf einem rohrförmigen Ring (3) aufgesetzt ist, wodurch die für die Leckage zwischen Druck- und Saugseite maßgebliche Spaltanzahl bzw. der Spaltquerschnitt minimiert wird.
rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet (1), dass bei Anwendung auf einen Verbrennungsmotor bzw. Gasverdichter zwei oder mehrere Arbeitsräume nebeneinander auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und die Arbeitsräume so verbunden sind, dass der Verbrennungsmotor ohne Ventile als Viertaktmotor ausgeführt werden kann bzw. bei Anwendung auf einen Gasverdichter eine mehrstufige Ausführung möglich ist.
rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anwendung auf einen Verbrennungsmotor (1), die Volumina und die Öffnungsweiten der Arbeitsräume, bzw. die Segmentbreite der Verdränger so aufeinander abgestimmt sind, dass die Übergabe der Kompressionsgase ohne nennenswerten Schadraum erfolgt und dass bei vorgegebenem Verdichtungsverhältnis (A1 zu A2) das entsprechende Entspannungsverhältnis (A3 zu A2) mindestens gleich oder größer ist.
rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verdränger (V) in bestimmten Fällen bei Anwendung als Flüssigkeitspumpe zylinderförmig (in Rotationsebene rund) ausgeführt sind, welche genau in den Ringraum eingepasst sind und direkt von der Mitnahmescheibe (2) angetrieben werden und dass der Ringraum gegebenenfalls nicht rotationsymmetrisch (nicht kreisrund) ausgeführt ist.
rotierende Verdrängermaschine insbesondere Verbrennungsmotore, Gasverdichter und Verdrängerpumpen nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Koppelstelle zwischen Verdränger und Mitnahmescheibe in bestimmten Fällen als Magnetkupplung ausgebildet ist, wobei auf dem Verdrängerkörper ein Magnet (M1) angebracht ist, welcher die Magnetkraft durch eine feststehende, am Gehäuse angebrachte dünne Scheibe (S) und durch die dazwischen befindlichen Spalten auf einen zweiten Magneten (M2) überträgt, welcher auf der Antriebsscheibe angebracht ist und dessen Längsrichtung vom Zentrum der Antriebsscheibe nach Außen weist, wobei der Magnet (M1) im Verlauf einer vollen Umdrehung der Mitnahmescheibe die Magnetfläche (M2) zwei Mal durchläuft.