DE102007015009A1

DE102007015009A1 - Rotationskolbenmaschine mit Außendrehmechanismus

Info

Publication number: DE102007015009A1
Application number: DE102007015009A
Authority: DE
Inventors: Waldemar Kurowski
Original assignee: Kurowski Waldemar Dr
Current assignee: Kurowski Waldemar Dr
Priority date: 2007-03-28
Filing date: 2007-03-28
Publication date: 2008-10-02
Also published as: CN101688446B; JP4994495B2; US20100108021A1; WO2008116660A1; EP2140109A1; JP2010522303A; US8297253B2; CN101688446A

Abstract

Für Rotationsübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und dem Rotor (Kolben) in Rotationskolbenmaschinen sind drei einheitliche Arten von relativ einfachen und realisierbaren Drehmechanismen erfunden worden. Der erste Mechanismus mitsamt Zylinderbuchse und Rotor bildet ein sechsgliedriges Sondergetriebe mit fünf Drehgelenken und einem Dreh-Schubgelenk des Freiheitsgrades 1. Der zweite Mechanismus mitsamt Zylinderbuchse und Rotor bildet ein sechsgliedriges Sondergetriebe mit zwei Zahnradübertragungen und fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1. Der dritte Mechanismus mitsamt Zylinderbuchse und Rotor bildet ein sechsgliedriges Getriebe mit sieben Drehgelenken auch des Freiheitsgrades 1. Die rein rotatorische relative Bewegung der Zylinderbuchse und des Rotors ermöglicht, einen sehr hohen Abdichtungsgrad zu erreichen, da die Abdichtungsleisten keiner Seitenkraft ausgesetzt sind. Die Einfachheit der Konstruktionen und die relativ große Zahl der wesentlichen geometrischen Parameter erlauben, die Arbeitsprozesse zu optimieren und innere Spannungen zu reduzieren. Die daraus folgenden Konstruktionen sind sehr kompakt. Im Fall der Verbrennungsmotoren sind sie kompakter sogar im Vergleich mit Wankelmotoren. Bei der Ventilsteuerung des Ladungswechsels und für das Einspritzen der Ladung entfällt die Notwendigkeit der Nockenwellen. Die rotierende Zylinderbuchse macht die Luftkühlung nicht unbedingt nötig.

Description

1. Stand der Technik mit Fundstellen, Problem- und Zielsetzung
Rotationskolbenmaschine (RKM) mit einem Außendrehmechanismus ist eine Kolbenmaschine, bei welcher dieser Mechanismus die Rotationen von Teilen, die den Arbeitsraum, ganz oder nur teilweise, bilden, zwangsläufig verbindet.
Die Rotationsübertragungen von einem Teil zum anderen durch einen Mechanismus, der außen des Arbeitsraums liegt, ist ein sehr hartes Problem, weshalb fast kaum Patentanmeldungen mit dessen Lösungen zu finden sind. Die Anmeldungen DE 197 40 133 A1 , DE 197 53 134 A1 , WO 2005/045197 A1 von demselben Autor und WO 2007 009 731 von einem anderen schlagen entsprechende Lösungen vor. Der Vorschlag des ersten Autors basiert sich auf ovalförmigen Zahnrädern, was kaum zu realisierbarer Lösung führt. Der zweite Autor schlägt sehr komplizierte Konstruktion, welche auch kaum realisierbar ist. Das Ziel der Erfindung ist es, die relativ einfachen und realisierbaren Lösungen des obengenannten Problems zu geben.
2. Lösungen
A. RKM mit Dreh-Schubgelenk.
Die erste Lösung kriegt man, wenn man die Zylinderbuchse Z (S. Vorderansicht eines Drahtmodels auf 1) über Drehgelenk B mittels des Pleuels P mit Scheibe (oder Kurbel) S über Drehgelenk A, von einer Seite, und den Pleuel P durch das Dreh-Schubgelenk C mit dem Rahmen F (oder einer Nut), der hier auf 1 mit dem Rotor R befestigt ist, von anderer Seite, verbindet.
Auf der linken Seite der 1 sind zwei Positionen A₁B₁C₁ und A₂B₂C₂ der RKM vorgestellt. Diese zeigen, dass die Drehung (hier, als Beispiel, gegen Uhrzeiger) der Zylinderbusche Z von der ersten Position in die zweite zur relativen Drehung zwischen Z und R führt, und zwar, weil die Drehung der Z um Winkel B₁O₁B₂ kleiner als die Drehung des Rotors R um Winkel C₁O₁C₂ ist. In diesem Fall dreht sich der Rotor schneller als die Zylinderbuchse.
Umgekehrtes Ergebnis kommt, wenn das Gelenk A die auf der rechten Seite der 1 gezeigte Position A1 passiert und sich weiter dreht. Diesmal ist die Drehung der Zylinderbuchse Z um Winkel B₁O₁B₂ größer als die Drehung des Rotors R um Winkel C₁O₁C₂. In diesem zweiten Fall dreht sich die Buchse Z schneller als der Rotor R.
Geometrische Betrachtung zeigt, dass die Überholung des Rotors in erster Drehhälfte genau gleich der Überholung der Zylinderbuchse in der zweiter ist. Das bedeutet, dass bei voller Umdrehung der Buchse und des Rotors ihre relativen Drehung am Ende gleich Null ist.
Es ist leicht zu sehen, dass RKM ein Sondergetriebe mit 6 Gliedern (Z, R, S, P, Gleitstein G und dem Gestell O1–O2) und mit 7 Gelenken (A, B, C, G–F, O2, Z–O1, und R–O1 oder R–Z, je nach Konstruktion) ist.
Alle Gelenke haben Freiheitsgrad f = 1. Deshalb ist der Freiheitsgrad F des Getriebes (S. [1], Seite 32, Formel 2.9, n – die Zahl der Teile, g1 – die Zahl der Gelenke mit dem Freiheitsgrad f = 1, g2 – die Zahl der Gelenken mit f = 2, in unsrem Fall g2 = 0.): F = 3·(n – 1) – 2·g1 – g2 = 3·5 – 2·7 = 1 (1)
Natürlich, für die Umlauffähigkeit soll das Getriebe eine ähnliche, wie Grashof – Bedienung für Viergelenkgetriebe, erfüllen, was keine großen Schwierigkeiten bringt.
In 2 ist ein Beispiel einer RKM mit zwei Sektionen und der Befestigung des Rahmens F an Rotor R als ein 3-D Drahtmodell schematisch vorgestellt.
Die Zylinderbuchse 1 hat die Stege 1.1, in die Abdichtungsleisten 1.3 eingefügt sind, Zapfen 1.2, Deckel 1.4 und, je nach Konstruktion, Zylinderwelle 1.5. Der Rotor 2 trägt Abdichtungsleisten 2.2 und hat Zapfen 2.3, auf dem der Rahmen 2.1 mit Zapfen 2.11 durch das Fenster 2.11 befestigt wird. Der Pleuel 3 besitzt Zapfen 3.1 für Bohrung 4.1, des Gleitsteines 4 und zwei Bohrungen 3.3 für Zapfen 1.2 der Zylinderbuchse, und 3.2 für Zapfen 5.1 der Kurbel 5, deren zweiter Zapfen 5.2 für die Bohrung 6.11 des Ständers 6.1 bestimmt ist. Ständer 6.2 für Zylinderbuchse 1 und Ständer 6.3 mit der Bohrung sind für die Zylinderwelle 1.5 bestimmt. Ein- und Auslassöffnungen 1.6 und 2.4 sind sowohl auf dem Zylinder als auch dem Rotor angebracht. In der rechten unteren Ecke der 4 ist die zusammengebaute RKM als ein 3D-Drahtmodell gezeigt.
Für Gelenkspannungsverminderung ist es möglich, den zweiten Mechanismus hinter der Zylinderbuchse noch zusätzlich anzubringen. Natürlich, es ist auch Drei-, Vier-, oder Mehrsektionsverteilung des Arbeitsraums möglich.
B. RKM mit Zahnradübertragungen
Die zweite Lösung kriegt man, wenn man die Zylinderbuchse Z (S. Vorderansicht eines Drahtmodels auf 3) über Drehgelenk B mittels des Pleuels P mit einer Drehscheibe S, von einer Seite, und diese Scheibe, die ein Zahnrad in ihrem Zentrum hat, mit dem Rotor, der auch ein Zahnrad besitzt, von anderer Seite, über noch ein oder zwei parallele Zahnräder verbindet.
Ähnlich, wie es oben bei RKM mit einem Schubgelenk gezeigt ist, ist es leicht zu zeigen, dass bei der Drehung der Zylinderbuchse Z die Scheibe S und mit ihr über Zahnräder verbundener Rotor R ihre erste Drehhälfte schneller (Winkel A₁O₂A₂ größer als Winkel B₁O₁B₂ ist) und die zweite langsamer (Winkel A₁O₂A₂ kleiner als Winkel B₁O₁B₂ ist), als die Buchse machen, was, als Zweck der Erfindung, zu gegenseitigen relativen Drehungen diesen Teilen führt. Ein Schema für RKM in diesem Fall sieht ähnlich, wie RKM mit dem Schub-Drehgelenk (4). Gelenkspannungsverminderung und Mehrsektionsarbeitsraum sind auch möglich.
C. RKM mit zwei Pleuelstangen.
Wir kommen zu dritter Lösung des obenbesprochenen Problems, wenn wir eine RKM als ein ebenes sechsgliederiges Getriebe mit 7 Drehgelenken des Freiheitsgrades 1, dessen kinematisches Schema für vier Positionen in 4 gezeigt ist, bauen. Dabei sind AB und CD zwei Pleuelstangen, bei deren das Drehgelenk B (Positionen B₁ und B₂) mit der Zylinderbuchse Z (Zentrum – Gestell O₁) und das Drehgelenk D (Positionen D₁ und D₂) mit dem Rotor R (auch Zentrum O₁) verbunden sind. Die Drehgelenke A (Positionen A₁ und A₂) und C (Positionen C₁, C₂) sind mit der Scheibe S (Zentrum – Gestell O₂) verbunden. Auf der linken Seite sind zwei Positionen A₁B₁C₁D₁ und A₂B₂C₂D₂ vorgestellt. Diese zeigen, dass die Drehung von der ersten Position in die zweite zur relativen Drehung zwischen Z und R führt, und zwar, weil die Drehung der Zylinderbuchse Z um Winkel B₁O₁B₂ größer als die Drehung des Rotors R um Winkel D₁O₁D₂ ist. Also, die Zylinderbuchse Z dreht sich schneller als der Rotor R. Umgekehrtes Ergebnis kommt zu Stande, wenn das Gelenk A die auf der rechten Seite der 4 gezeigte Position A₁ passiert. Diesmal ist die Drehung der Zylinderbuchse Z um Winkel B₁O₁B₂ ist kleiner als die Drehung des Rotors um Winkel D₁O₁D₂. In diesem Fall dreht sich die Zylinderbuchse Z langsamer als der Rotor R.
Geometrische Betrachtung zeigt, dass die Überholung der Zylinderbuchse in erster Drehhälfte genau gleich der Überholung des Rotors in der zweiter ist. Das bedeutet, dass bei voller Umdrehung der Körper Z, R und S die relative Drehung der Körper Z und R am Ende gleich Null ist, was zum Zweck der Erfindung gehört.
Es ist leicht zu zeigen, dass die oben geschriebene Fromel (1) für ebene Getriebe auch hier erfüllt ist.
In 6 ist ein Beispiel der KTRM mit zwei Sektionen als ein 3D-Drahtmodell schematisch vorgestellt. Die Zylinderbüchse 1 mit Stegen 1.1, in den die Abdichtungsleisten 1.3 eingefügt sind, Zapfen 1.2, Deckel 1.4. und Auslass-(oder Einlass-, je nach Konstruktion)-öffnung 1.6. Der Kolben 2 trägt Abdichtungsleisten 2.2, und hat Zapfen 2.3, auf dem der Hebel 2.1 mit Zapfen 2.11 durch Fenster 2.12 befestigt wird, und Einlass-(bzw. Auslass-)-öffnung 2.4. Rundscheibe 3 hat Achsenwelle 3.3 und zwei Zapfen 3.1 und 3.2. Die Pleuelstange 4 hat eine Bohrung 4.1 für den Zapfen 1.2 und zweite Bohrung 4.2 für den Zapfen 3.1. Die Pleuelstange 5 hat eine Bohrung 5.1 für den Zapfen 2.11 und die zweite Bohrung 5.2 für den Zapfen 3.2. Das Gestell 6 besteht aus Ständer 6.1 mit der Bohrung 6.11 für die Achsenwelle 3.3, Ständer 6.2 für den Zylinder 1 und Ständer 6.3 mit der Bohrung für Zylinderwelle 1.5. In der rechten unteren Ecke der 6 ist die zusammengebaute RKM, als ein 3D-Drahtmodel, gezeigt. Gelenkspannungsverminderung und Mehrsektionsarbeitsraum sind auch hier, wie für die obenbeschriebenen RKM möglich.
3. Vorteile der Erfindung
Zu offensichtlichen Vorteilen der oben vorgeschlagenen Lösungen des Problems der Drehübertragungen in einer Rotationskolbenmaschine von einem Teil zum anderen, welche den Arbeitsraum mindestens teilweise bauen, durch einen Außenmechanismus gehören ihre relative Einfachheit und daraus folgende Realisierbarkeit der möglichen Konstruktionen von neuartigen RKM. Die rein rotoratorische relative Bewegung des Zylinders und des Rotors (des Kolbens) ermöglicht sehr hohen Abdichtungsgrad zu erreichen, da die Abdichtungsleisten keiner Seitenkraft ausgesetzt sind. Die Einfachheit der Konstruktionen und die relativ große Zahl der wesentlichen geometrischen Parameter erlauben die Arbeitsprozesse zu optimieren und innere Spannungen reduzieren. Die daraus folgenden Konstruktionen sind sehr kompakt. Im Fall der Verbrennungsmotoren sind sie kompakter sogar im Vergleich mit Wankelmotoren. Bei der Ventilsteuerung des Ladungswechsels und für das Einspritzen der Ladung entfällt die Notwendigkeit der Nockenwellen. Die rotierende Zylinderbuchse macht die Luftkühlung nicht unbedingt nötig.
4. Referenzen

[1] Getriebetechnik Grundlagen, Herausgegeben von Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Volmer, Verlag Technik GmbH Berlin; München

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19740133 A1 [0002]
- DE 19753134 A1 [0002]
- WO 2005/045197 A1 [0002]
- WO 2007009731 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Getriebetechnik Grundlagen, Herausgegeben von Prof. Dr. -Ing. habil. Johannes Volmer, Verlag Technik GmbH Berlin; München [0019]

Claims

Rotationskolbenmaschine mit einer Zylinderbuchse, einem in ihr koaxialgelagerten Rotor und einem Außendrehmechanismus, bei welcher die Zylinderbuchsedrehung zwangsläufig in die Rotordrehung und umgekehrt umgewandelt wird, mit folgenden Merkmalen: a) diese Umwandlung wird mittels eines Außendrehmechanismus, welcher mitsamt der Zylinderbuchse und dem Rotor ein ebenes sechsgliederiges Sondergetriebe mit fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 und einem Dreh-Schubgelenk gestaltet, gemacht. b) außer diesen Gliedern hat das Getriebe noch einen Drehkörper (eine Scheibe oder einen Kurbel) mit Lager im Gestell, und einen Pleuel, der mit diesem Drehkörper und mit der Zylinderbuchse mittels Drehgelenken verbunden ist, was zur Drehübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und dem Pleuel führt. c) der Pleuel und der Rotor sind mittels eines Dreh-Schubgelenkes verbunden. d) das Dreh-Schubgelenk besteht aus einem Gleitstein und einem Rahmen (oder einer Nut), der (bzw. die) entweder mit dem Rotor oder mit dem Pleuel befestigt ist. Dabei läuft der Gleitstein in diesem Rahmen (in der Nut). Dieses Dreh-Schubgelenk bringt Rotationsübertragungen zwischen dem Pleuel und dem Rotor, welche, letztendlich und zweckmäßig, zu Rotationsübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und dem Rotor führen.
Rotationskolbenmaschine mit einer Zylinderbuchse, einem in ihr koaxialgelagerten Rotor und einem Außendrehmechanismus, bei welcher die Zylinderbuchsedrehung zwangsläufig in die Rotordrehung und umgekehrt umgewandelt wird, mit folgenden Merkmalen: a) diese Umwandlung wird mittels eines Außendrehmechanismus, welcher mitsamt der Zylinderbuchse und dem Rotor ein ebenes sechsgliederiges Sondergetriebe mit fünf Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 und zwei Zahnradübertragungen gestaltet, gemacht. b) außer diesen Gliedern hat das Getriebe noch eine Scheibe mit Lager im Gestell und einen Pleuel, der mit dieser Scheibe und mit der Zylinderbuchse mittels Drehgelenken verbunden ist, was zu Drehübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und der Scheibe führt. c) die Scheibe und der Rotor besitzen jeweils ein Zahnrad. Diese Zahnräder sind durch noch ein oder zwei parallele zusammenbefestigten Zahnräder miteinander verbunden, was zu Drehübertragungen zwischen der Scheibe und dem Rotor führt, welche, letztendlich und zweckmäßig, Rotationsübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und dem Rotor bringen.
Rotationskolbenmaschine mit einer Zylinderbuchse, einem in ihr koaxial gelagerten Rotor und einem Außendrehmechanismus, bei welcher die Zylinderbuchsedrehung zwangsläufig in die Rotordrehung und umgekehrt umgewandelt wird, mit folgenden Merkmalen: a) diese Umwandlung wird mittels eines Außendrehmechanismus, der mitsamt der Zylinderbuchse und dem Rotor ein ebenes sechsgliederiges Sondergetriebe mit sieben Drehgelenken des Freiheitsgrades 1 gestaltet, gemacht. b) außer diesen Gliedern hat das Getriebe noch eine Drehscheibe mit Lager im Gestell und zwei Pleuelstangen, eine von deren den Zylinderbuchse mit der Scheibe und die andere die Scheibe mit dem Rotor mittels Drehgelenken verbinden, was zu Rotationsübertragungen zwischen dem Zylinderbuchse und dem Rotor führt, welche, letztendlich und zweckmäßig, Rotationsübertragungen zwischen der Zylinderbuchse und dem Rotor bringen.