DE102007039309B4

DE102007039309B4 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE102007039309B4
Application number: DE102007039309A
Authority: DE
Inventors: Herbert Huettlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2027-08-14
Also published as: CN101815844B; CN101815844A; JP5103527B2; DE102007039309A1; JP2010535982A; US20100199947A1; WO2009021714A1; US7849832B2; EP2179140A1

Abstract

Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest zwei Kolben (22, 24) angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse (12) um eine gehäusefeste Drehachse (28) umlaufen können, wobei die Kolben (22, 24) in einem Kolbenkäfig (30) gleitend gelagert sind, der im Gehäuse (12) gelagert ist und gemeinsam mit den Kolben (22, 24) um die Drehachse (28) umläuft, wobei die beiden Kolben (22, 24) beim Umlaufen um die Drehachse (28) zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführen, um eine durch einander zugewandte Endflächen (46, 48) der beiden Kolben (22, 24) und den Kolbenkäfig (30) definierte Arbeitskammer (42) im Volumen abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern, wobei die Drehachse (28) durch die Arbeitskammer (42) verläuft, und wobei der Kolbenkäfig (30) eine Gaswechselöffnung (62) für das Ein- und Auslassen von Gas in die und aus der Arbeitskammer (42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselöffnung (62) auf der Drehachse (28) angeordnet ist, und dass...

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem zumindest zwei Kolben angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen können, wobei die Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert sind, der im Gehäuse gelagert ist und gemeinsam mit dem Kolben um die Drehachse umläuft, wobei die beiden Kolben beim Umlaufen um die Drehachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführen, um eine durch einander zugewandte Endflächen der beiden Kolben und den Kolbenkäfig definierte Arbeitskammer im Volumen abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern, wobei die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft, und wobei der Kolbenkäfig eine Gaswechselöffnung für das Ein- und Auslassen von Gas in die und aus der Arbeitskammer aufweist.
Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist aus WO 2006/089576 A1 bekannt.
Eine Rotationskolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor), als Pumpe oder als Kompressor verwendet werden.
Im Falle der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine werden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Zündens des Verbrennungsgemisches und des Expandierens und Ausstoßens des verbrannten Verbrennungsgemisches durch hin- und hergehende Bewegungen zumindest zweier Kolben zwischen zwei Endstellungen vermittelt, wobei die Bewegungen der Kolben aus deren Umlaufbewegung um die Drehachse abgeleitet werden.
Im Falle der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Kompressor ist die Arbeitsweise ähnlich, wobei jedoch in der Rotationskolbenmaschine kein Verbrennungsvorgang und entsprechend keine Zündung eines Verbrennungsgemisches stattfindet, sondern lediglich ein Gas, insbesondere Luft hochverdichtet wird.
Die aus dem oben genannten Dokument bekannte Rotationskolbenmaschine weist in dem Gehäuse vier Kolben auf, die zusammen mit dem Kolbenkäfig zwei entlang der Drehachse gegenüberliegend angeordnete Arbeitskammern definieren, die den Stirnseiten des Gehäuses zugewandt sind. In beiden Arbeitskammern finden jeweils die Takte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens statt. Im Falle der Verwendung dieser bekannten Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine vergrößern und verkleinern sich die beiden Arbeitskammern gleichsinnig, wobei die Taktabfolge des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens von der einen Arbeitskammer zur anderen Arbeitskammer um zwei Takte phasenverschoben ist. Im Fall der Verwendung dieser bekannten Rotationskolbenmaschine als Kompressor vergrößern und verkleinern sich die beiden Arbeitskammern gegensinnig, d. h. während die eine Arbeitskammer im Volumen verkleinert wird, wird die andere Arbeitskammer im Volumen vergrößert.
In beiden Fällen geht die Drehachse, um die die Kolben umlaufen, und die im Sinne der vorliegenden Beschreibung als geometrische Achse zu verstehen ist, durch beide Arbeitskammern hindurch.
Jeder der beiden Arbeitskammern der bekannten Rotationskolbenmaschine ist jeweils eine Gaseinlassöffnung und eine Gasauslassöffnung im Gehäuse zugeordnet. Im Kolbenkäfig ist für jede Arbeitskammer jeweils eine Gaswechselöffnung vorhanden, die in die jeweilige Arbeitskammer mündet, und die bei jeder Umdrehung des Kolbenkäfigs um die Drehachse mit der jeweiligen Gaseinlassöffnung bzw. Gasauslassöffnung zeitweise kommuniziert, so dass ein Gasaustausch in die bzw. aus der jeweiligen Arbeitskammer stattfinden kann, wenn die Gaswechselöffnung im Kolbenkäfig mit der Gaseinlassöffnung bzw. Gasauslassöffnung im Gehäuse überlappt. In den übrigen Umlaufwinkelbereich des Kolbenkäfigs um die Drehachse verschließt dieser die Gaseinlassöffnungen und die Gasauslassöffnungen im Gehäuse dicht, so dass in die jeweilige Arbeitskammer eingelassenes Gas, im Fall einer Brennkraftmaschine ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verdichtet und gezündet werden und arbeiten kann.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Begriff ”Gas” allgemein zu verstehen und umfasst beispielsweise Luft, ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verbranntes Brennstoff-Luft-Gemisch oder jedes andere Fluid.
Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine ist die Gaswechselöffnung im Kolbenkäfig seitlich bzw. radial von der Drehachse beabstandet angeordnet.
Der Vorteil der bekannten Rotationskolbenmaschine besteht darin, dass für den Gaswechsel zwischen der oder den Arbeitskammern keine Ventile erforderlich sind, weil das Schließen und Öffnen der Gaswechselöffnung allein durch die Rotation des Kolbenkäfigs in dem Gehäuse bewerkstelligt wird.
Auf dem Gebiet der Hubkolbenmotoren bestehen dagegen sehr gute Erfahrungen bei der Steuerung des Gaswechsels in und aus den Arbeitskammern der Zylinder mittels Ventilen, insbesondere den sog. Tulpenventilen.
Drehschiebersteuerungen zur Steuerung des Gaswechsels, wie sie sich bei den Rotationskolbenmaschinen, insbesondere bei Kugelmotoren wie der bekannten Rotationskolbenmaschine als technisch sehr einfache Lösungen anbieten, wird jedoch in der Fachwelt mit Bedenken entgegengetreten, weil diesbezügliche langjährige Erfahrungen mit derartigen Gaswechselsteuerungen fehlen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art bereitzustellen, bei der der Gaswechsel mit einem Ventil, insbesondere einem klassischen Tulpenventil, gesteuert werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine dadurch gelöst, dass die Gaswechselöffnung auf der Drehachse angeordnet ist, und dass in der Gaswechselöffnung ein Schließglied angeordnet ist, das mit dem Kolbenkäfig bezüglich der Drehachse drehfest verbunden und zum Öffnen und Schließen der Gaswechselöffnung in Richtung der Drehachse relativ zum Kolbenkäfig axial beweglich ist, wobei ein Steuermechanismus für das Schließglied vorhanden ist, der die axiale Bewegung des Schließglieds aus der Drehbewegung des Schließglieds um die Drehachse ableitet.
Durch die Erfindung wird nunmehr eine Rotationskolbenmaschine, wie sie beispielsweise aus dem Dokument WO 2006/089576 A1 bekannt ist, mit einem ventilgesteuerten Gaswechsel bereitgestellt. Dazu wurde zunächst die Gaswechselöffnung in dem Kolbenkäfig gegenüber der bekannten Rotationskolbenmaschine auf die Drehachse verlagert, so dass die als geometrische Achse gedachte Drehachse durch die Gaswechselöffnung in dem Kolbenkäfig hindurchgeht. In dieser axial angeordneten Gaswechselöffnung ist erfindungsgemäß ein Schließglied angeordnet, das mit dem Kolbenkäfig bezüglich der Drehachse drehfest verbunden ist und somit mit dem Kolbenkäfig um die Drehachse umläuft. Dies bewirkt vorteilhafterweise, dass das Schließglied keine Relativbewegung zum Kolbenkäfig in Drehrichtung um die Drehachse ausführt, so dass sich in der Schließstellung des Schließglieds, in der es am Rand der Gaswechselöffnung in dem Kolbenkäfig anliegt, keinerlei Dichtigkeitsprobleme ergeben. Zum Freigeben der Gaswechselöffnung durch das Schließglied und zum Wiederverschließen der Gaswechselöffnung durch das Schließglied ist dieses in Richtung der Drehachse relativ zum Kolbenkäfig axial beweglich. Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Steuermechanismus, d. h. eine Ventilsteuerung für das Schließglied, vorgesehen, der die axiale Bewegung des Schließglieds aus der Drehbewegung des Schließglieds um die Drehachse ableitet. Hierdurch wird wie bei klassischen Hubkolbenmotoren vorteilhafterweise eine automatische Steuerung des Öffnens und Schließens des Schließglieds erreicht, die stets an die Drehzahl der Rotationskolbenmaschine angepasst ist, ohne dass hierzu eine komplexe elektronische Steuerung erforderlich ist. Eine solche Steuerung ist mit einer klassischen Nockenwellensteuerung von Ventilen in konventionellen Hubkolbenmotoren vergleichbar.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Schließglied als Tellerventil, insbesondere als Tulpenventil ausgebildet, dessen Ventilteller in der Schließstellung an einem Ventilsitz anliegt, der innenseitig am Kolbenkäfig ausgebildet ist, und zum Öffnen der Gaswechselöffnung in Richtung in die Arbeitskammer hinein beweglich ist.
In dieser Ausgestaltung verwendet die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine ein Tellerventil, insbesondere ein Tulpenventil, das sich in der Motorentechnik vielfach bewährt hat. Durch die innenseitige Anordnung des Ventilsitzes am Kolbenkäfig wird das Tellerventil in seiner Schließstellung beim Verdichten des Gases in der Arbeitskammer fest an den Ventilsitz angedrückt, so dass eine optimale Dichtigkeit erzielt wird. Das Gleiche gilt im Fall der Verwendung der Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine während des Zündens und Expandierens (Arbeitens).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Steuermechanismus zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken und zumindest einen mit dem schließgliedfesten Steuernocken zusammenwirkenden gehäusefesten Steuernocken auf, derart, dass das Schließglied beim Vorbeilaufen des schließgliedfesten Steuernockens an dem gehäusefesten Steuernocken aus seiner Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird.
Mit dieser Ausgestaltung wird eine konstruktiv einfache mechanische Steuerung für das Schließglied geschaffen, um die axiale Bewegung des Schließglieds zum Schließen und Öffnen desselben aus der Drehbewegung des Schließglieds um die Drehachse abzuleiten. Der schließgliedfeste Steuernocken wird nämlich zusammen mit dem Schließglied mit gleicher Geschwindigkeit um die Drehachse bewegt. Beim Vorbeilaufen des schließgliedfesten Steuernockens an dem gehäusefesten Steuernocken wird das Schließglied dann in die Offenstellung gedrückt.
Die Rückstellung des Schließglieds in die Schließstellung erfolgt gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorzugsweise durch ein Energiespeicherelement, beispielsweise eine Feder, die das Schließglied aus der Offenstellung in die Schließstellung zurückdrückt.
Insgesamt wird dadurch eine rein mechanische drehzahlabgestimmte Steuerung des Schließglieds erreicht.
In einer Weiterbildung der zuvor genannten Ausgestaltung weist der Steuermechanismus einen schließgliedfesten und zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete gehäusefeste Steuernocken oder zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete schließgliedfeste Steuernocken und einen gehäusefesten Steuernocken auf.
In dieser Ausgestaltung wird das Schließglied bei jeder vollen Drehung um die Drehachse zweimal geöffnet und wieder geschlossen, wobei das eine Öffnen dem Gaseinlass in die Arbeitskammer dient und das andere Öffnen dem Gasauslass aus der Arbeitskammer. Im Vergleich zu klassischen Hubkolbenmotoren wird für den Gaseinlass und den Gasauslass bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine dagegen prinzipiell nur ein Schließglied benötigt, während bei klassischen Hubkolbenmo toren für den Gaseinlass und für den Gasauslass separate Ventile mit separater Steuerung vorgesehen sind.
In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung ist der zumindest eine schließgliedfeste Steuernocken im Randbereich eines schließgliedfesten flächigen Steuerelements ausgebildet und der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken im Randbereich eines dem schließgliedfesten flächigen Steuerelement gegenüberstehenden gehäusefesten flächigen Steuerelements angeordnet.
Die Anordnung der Steuernocken im Randbereich von flächigen, beispielsweise tellerförmigen Steuerelementen, deren Oberflächen, die die Steuernocken tragen, sich im Wesentlichen quer zur Drehachse erstrecken, hat den Vorteil, dass die Drehachse selbst frei bleibt, um beispielsweise durch den Schaft oder Stößel des Schließgliedes, an dessen rückwärtigem Ende das schließgliedfeste flächige Steuerelement angeordnet ist, beispielsweise eine Kraftstoffeinspritzung zu ermöglichen, wenn die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine verwendet werden soll. An dem jeweiligen flächigen Steuerelement ist der jeweilige Steuernocken vorzugsweise als axiale Erhebung mit begrenzter Erstreckung in Umfangsrichtung um die Drehachse ausgebildet, d. h. in Form von wellenförmigen, beispielsweise sinusförmigen Erhebungen.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn das gehäusefeste flächige Steuerelement eine sich konkav verjüngende und das schließgliedfeste flächige Steuerelement im Wesentlichen komplementär dazu eine sich konvex verjüngende Steuerfläche aufweist, wobei die Steuernocken an diesen Steuerflächen ausgebildet sind.
Hierbei besteht ein Vorteil darin, dass das gehäusefeste Steuerelement und das schließgliedfeste Steuerelement über die komplementär ausgebildeten Steuerflächen eine Führung aneinander erfahren. Der weitere Vorteil besteht darin, dass die Steuernocken sich an bezüglich der Drehachse schräggestellten Flächen befinden, was die Umsetzung der Drehbewegung in eine axiale Bewegung begünstigt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus einstellbar, um den Zeitpunkt des Öffnens und/oder den Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds zu verändern.
Bekanntermaßen ist die Leistung einer Brennkraftmaschine von der Drehzahl abhängig, und durch diese Maßnahme wird dieser Erkenntnis auch bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine Rechnung getragen, indem der Zeitpunkt des Öffnens und/oder der Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds über den Steuermechanismus, der die axiale Bewegung des Schließglieds vermittelt, last- und drehzahlabhängig verändert werden kann.
In einer konstruktiv einfachen Umsetzung dieses Aspekts ist es bevorzugt, wenn der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken in Umfangsrichtung um die Drehachse lageverstellbar ist.
Durch die Lageverstellung des zumindest einen gehäusefesten Steuernockens in Umfangsrichtung um die Drehachse wird bewirkt, dass der Drehwinkel und damit der Zeitpunkt verändert wird, an dem der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken und der zumindest eine schließgliedfeste Steuernocken miteinander in Eingriff kommen und ebenso wieder außer Eingriff kommen. Dieser Zeitpunkt des In-Eingriff-Kommens und des Außer-Eingriff-Kommens bestimmt den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Schließglieds.
Realisiert werden kann eine solche Lageverstellung beispielsweise dadurch, dass das oben genannte Steuerelement, an dem der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken ausgebildet ist, in Umfangsrichtung um die Drehachse über einen begrenzten Winkelbereich verdrehbar ist und dass ein entsprechender Drehantrieb für das Steuerelement vorgesehen ist.
Im Rahmen der oben genannten Ausgestaltung, wonach der Steuermechanismus einen schließgliedfesten und zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete ge häusefeste Steuernocken aufweist, ist es vorzugsweise vorgesehen, dass beide gehäusefesten Steuernocken in Umfangsrichtung lageverstellbar sind, wobei die beiden gehäusefesten Steuernocken vorzugsweise unabhängig voneinander lageverstellbar sind.
Hierbei ist von Vorteil, dass sowohl der Beginn und/oder das Ende des Gaseinlasses als auch der Beginn und/oder das Ende des Gasauslasses, und dies in bevorzugter Weise unabhängig voneinander eingestellt werden können, wodurch das Leistungsverhalten der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine im Falle der Verwendung als Brennkraftmaschine noch weiter verbessert wird.
In einer konstruktiv technisch einfachen und daher vorteilhaften Ausgestaltung wird dies dadurch realisiert, dass das oben genannte gehäusefeste Steuerelement zwei Segmente aufweist, die jeweils einen der gehäusefesten Steuernocken aufweisen, wobei die beiden Segmente in Umfangsrichtung um die Drehachse relativ zueinander und/oder gemeinsam lageverstellbar sind.
In dieser Ausgestaltung ist das gehäusefeste Steuerelement demnach zweiteilig ausgebildet, und jedes dieser beiden Teile trägt einen Steuernocken, und durch Lageverstellung der beiden Teile können dann der Zeitpunkt des Öffnens und/oder der Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds sowohl für den Gaseinlassvorgang als auch für den Gasauslassvorgang drehzahlabhängig verändert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus einstellbar, um die Dauer des Offenzustands des Schließglieds zu verändern.
Über die Dauer des Offenzustands des Schließglieds kann vorteilhafterweise insbesondere die Menge an Gas, die in die Arbeitskammer eingelassen wird, in Abhängigkeit von der Drehzahl der Rotationskolbenmaschine zur Erzielung eines optimalen Leistungsverhaltens angepasst werden. Das Mischungsverhältnis aus Frischluft (Verbrennungsluft) und Brennstoff (im Falle der Verwendung der Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine) kann somit bei geringer Leistungsanforderung verringert werden, indem weniger Frischluft in die Arbeitskammer eingelassen wird, indem die Dauer der Öffnung des Schließglieds verringert wird. Bei hohen Leistungsanforderungen wird demgegenüber ein größeres Mischungsverhältnis aus Frischluft und Brennstoff benötigt, was durch eine längere Öffnungszeit des Schließglieds bewerkstelligt wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Steuermechanismus einstellbar, um den Hub des Schließglieds zwischen der Schließstellung und der Offenstellung zu verändern.
Durch die Verstellbarkeit des Öffnungshubs des Schließglieds zwischen der Schließstellung und der Offenstellung kann ebenfalls die Menge an in die Arbeitskammer eingelassenen Gas verändert werden, weil der Hub des Schließglieds die Strömungsrate des einströmenden Gases beeinflusst.
In einer vorteilhaft einfachen konstruktiven Ausgestaltung, mit der die beiden vorstehend genannten Einstellungen vorgenommen werden können, ist der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken relativ zu dem zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken in Richtung der Drehachse axial lageverstellbar.
Wenn der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken von dem zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken beabstandet wird, so dass der Zeitpunkt des In-Eingriff-Kommens der beiden welligen Steuernocken später und der Zeitpunkt des Außer-Eingriff-Kommens entsprechend früher liegt, ist die Dauer des Offenzustands des Schließglieds entsprechend verkürzt. Gleichzeitig wird dabei auch der Hub des Schließglieds zwischen der Schließstellung und der Offenstellung verringert. Durch entsprechendes axiales Bewegen des zumindest einen gehäusefesten Steuernockens zu dem zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken wird die Dauer des Offenzustands des Schließglieds entsprechend erhöht, ebenso wie der Hub des Schließglieds.
Um die Lageverstellung des zumindest einen gehäusefesten Steuernockens zu bewerkstelligen, kann an dem oben genannten gehäusefesten Steuerelement ein Axialantrieb vorgesehen sein, der das gehäusefeste Steuerelement in Richtung der Drehachse entsprechend zu dem schließgliedfesten Steuerelement hin bzw. von diesem weg bewegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Gaswechselöffnung in einem axialen Fortsatz des Kolbenkäfigs ausgebildet, wobei die Gaswechselöffnung in einen Kanal in dem Fortsatz mündet, der seitlich an dem Fortsatz nach außen führt und beim Umlaufen des Kolbenkäfigs abwechselnd mit einer gehäuseseitigen Gaseinlassöffnung und mit einer gehäuseseitigen Gasauslassöffnung kommuniziert.
Der Kanal in dem Fortsatz befindet sich somit auf der der Arbeitskammer abgewandten Seite des Schließglieds, was den Vorteil hat, dass sich in dem Kanal und im Bereich der Gaseinlassöffnung und der Gasauslassöffnung im Gehäuse keine wesentlichen Drücke aufbauen, die zu Abdichtungsproblemen führen können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Schließglied eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung angeordnet.
Hierbei ist von Vorteil, dass im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine ein Kraftstoff trotz Vorhandenseins des Schließglieds direkt in die Arbeitskammer eingespritzt werden kann, und dies vorteilhafterweise auf der Drehachse und damit mittig in die Arbeitskammer.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Schließglied eine Zündvorrichtung zum Zünden eines Gases in der Arbeitskammer angeordnet.
Diese Ausgestaltung eignet sich insbesondere für eine Verwendung der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine, die mit Ottokraftstoff (Benzin) betrieben werden kann, wobei wie bei der zuvor genannten Ausgestaltung der weitere Vorteil besteht, dass die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer mittig erfolgt.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine in einer perspektivischen Gesamtdarstellung;
2 einen Ausschnitt der Rotationskolbenmaschine in 1 in einem Längsschnitt;
3 einen weiteren Ausschnitt der Rotationskolbenmaschine in 1 in einem Längsschnitt mit einer ersten Ausführungsform eines Gaswechselsystems;
4 den Ausschnitt in 3 in einem Längsschnitt entlang einer Ebene, die durch einen Gaseinlass hindurchgeht, wobei die Kolben der Rotationskolbenmaschine in einer gegenüber 3 anderen Bewegungsstellung gezeigt sind;
5 den Ausschnitt in 3 in einem Längsschnitt entlang einer Ebene, die durch einen Gasauslass der Rotationskolbenmaschine hindurchgeht, wobei die Kolben der Rotationskolbenmaschine in einer gegenüber 3 veränderten Bewegungsstellung gezeigt sind;
6a) und b) Einzelheiten eines Steuermechanismus für ein Schließglied des Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine in der Ausführungsform gemäß 3 in zwei perspektivischen Ansichten;
7a) und b) mit 3 vergleichbare Ausschnitte einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine in zwei Betriebsstellungen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des Gaswechselsystems;
8a) und b) ein weiterer Ausschnitt einer Rotationskolbenmaschine im Längsschnitt in zwei Betriebsstellungen gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel des Gaswechselsystems;
9a) bis d) mit 6 vergleichbare Darstellungen eines Steuermechanismus für ein Schließglied des Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine gemäß 7a) und b) in vier verschiedenen perspektivischen Darstellungen;
10a) und b) einen Steuermechanismus für ein Schließglied des Gaswechselsystems der Rotationskolbenmaschine gemäß 8a) und b) in zwei verschiedenen perspektivischen Darstellungen;
11a) und b) weitere Einzelheiten des Steuermechanismus gemäß 9a) bis d) in zwei verschiedenen Ansichten;
12 weitere Einzelheiten des Steuermechanismus gemäß 10a) und b);
13a) bis f) Prinzipdarstellungen der Gaswechselsteuerung einer erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine;
14 eine Darstellung vergleichbar mit 4 in einer weiteren Abwandlung des Gaswechselsystems mit einem Schließglied mit integrierter Zündvorrichtung; und
15 einen Ausschnitt eines Gaswechselsystems im Bereich eines Schließglieds mit integrierter Kraftstoffeinspritzung.
In 1 bis 5 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Rotationskolbenmaschine dargestellt.
Die Rotationskolbenmaschine 10 kann als Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor), aber auch als Kompressor ausgelegt sein.
Die Rotationskolbenmaschine 10 weist allgemein die Form eines Kugelmotors bzw. Kugelkompressors mit einem innenseitig im Wesentlichen kugelförmigen Gehäuse 12 auf. In 1 ist das Gehäuse 12 geschlossen dargestellt, während in 2 bis 5 entsprechend der dortigen Schnittdarstellungen der Innenraum des Gehäuses 12 dargestellt ist.
Das Gehäuse 12 wird im Wesentlichen durch zwei Gehäusehauptteile 14 und 16 und zwei Gehäusestirndeckel 18 und 20 gebildet. Die Gehäusestirndeckel 18 und 20 sind von den Gehäusehauptteilen 14 und 16 abnehmbar, ebenso wie die beiden Gehäusehauptteile 14 und 16 voneinander abnehmbar sind, wobei die Befestigung der vorstehend genannten Teile aneinander durch Schrauben erfolgt.
In dem Gehäuse 12 sind insgesamt vier Kolben angeordnet, von denen in der Zeichnung nur drei Kolben zu sehen sind, und zwar ein erster Kolben 22, ein zweiter Kolben 24, ein dritter Kolben 26 und ein vierter Kolben (nicht dargestellt), der dem dritten Kolben 26 vor der Zeichenebene in 2 gegenübersteht.
Die Kolben 22, 24, 26 sowie der nicht gezeigte vierte Kolben laufen in dem Gehäuse 12 um eine gehäusefeste Drehachse 28 gemeinsam um. Die Drehachse 28 ist als geometrische Achse zu verstehen und geht durch die Gehäusemitte hindurch.
Die Kolben 22 und 24 sind in Bezug auf die Drehachse 28 gegenüber dem Kolben 26 und dem vierten Kolben um 90° versetzt in dem Gehäuse 12 angeordnet, wobei der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben jedoch auch in der gleichen Ebene wie die Kolben 22 und 24 angeordnet sein können, wie dies in dem Dokument WO 2006/089576 A1 dargestellt und beschrieben ist, wobei auf dieses Dokument zu einer näheren Beschreibung insbesondere auch im Hinblick auf die Geometrie der Kolben verwiesen wird.
Die Kolben 22, 24, 26 und der nicht gezeigte vierte Kolben sind in einem Kolbenkäfig 30 angeordnet und darin gleitend gelagert, der wiederum selbst in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 28 drehbar gelagert ist. Die Kolben 22, 24, 26 und der vierte Kolben sind in Bezug auf die Drehachse 28 drehfest mit dem Kolbenkäfig 30 verbunden, können jedoch relativ zu diesem im Wesentlichen senkrecht zur Drehachse 28 hin- und hergehende Bewegungen zwischen zwei Endstellungen ausführen, wenn sie gemeinsam mit dem Kolbenkäfig 30 in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 28 umlaufen. Dazu sind die Kolben 22, 24, 26 bzw. der vierte Kolben in dem Kolbenkäfig 30 gleitend gelagert.
Um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und des vierten Kolbens aus der Umlaufbewegung derselben um die Drehachse 28 abzuleiten, ist dem Kolben 22, 24, 26 und dem vierten Kolben jeweils zumindest ein Lauforgan zugeordnet, wie dies für ein Lauforgan 32 des Kolbens 22 und ein Lauforgan 34 des Kolbens 24 in 2 dargestellt ist. Entsprechende Lauforgane, die in der Zeichnung entsprechend der Darstellung nicht zu sehen sind, weisen auch der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben auf. Die Lauforgane 32 und 34 der Kolben 22 und 24 sind entlang einer gemeinsamen Steuerkurve 36 geführt, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel an einem gehäuseseitigen Kurvenstück 38 ausgebildet ist und zur Erzielung der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 und 24 eine Konturierung mit Wellentälern und Wellenbergen aufweist, wie dies in dem Dokument WO 2006/089576 A1 beschrieben ist, auf das für eine detaillierte Beschreibung der Kolbenbewegung verwiesen wird, und dessen Inhalt diesbezüglich Gegenstand der vorliegenden Offenbarung ist. Dem dritten Kolben 26 und dem vierten Kolben ist eine entsprechende Steuerkurve 40 am Kurvenstück 38 zugeordnet.
In 2 sind die Kolben 22, 24 in einer Bewegungsstellung gezeigt, in der sie maximal aufeinander zu bewegt sind. Diese Stellung wird auch als OT-Stellung (oberer Totpunkt) bezeichnet. Ausgehend von dieser OT-Stellung können sich die Kolben 22 und 24 beim Umlaufen um die Drehachse 28 auseinanderbewegen, bis sie ihre UT-Stellung erreichen (unterer Totpunkt), in der sie maximal auseinanderbewegt sind (etwa 60° auseinander). Der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben führen zu den Kolben 22 und 24 gleichsinnige Bewegungen aus, d. h. in der Darstellung in 2 befinden sich der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben ebenfalls in OT-Stellung. Diese Konfiguration, bei der alle vier Kolben die OT-Stellung ebenso wie die UT-Stellung jeweils gemeinsam einnehmen, eignet sich für eine Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine. Bei einer Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als Kompressor ist es dagegen bevorzugt, wenn das Paar aus Kolben 22 und 24 seine OT-Stellung einnimmt, während das Paar aus drittem Kolben 26 und viertem Kolben sich gerade in UT-Stellung befinden, und umgekehrt.
Die Kolben 22 und 24 bilden ein erstes Kolbenpaar, das eine erste Arbeitskammer 42 definiert, und der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben bilden ein zweites Kolbenpaar, das eine zweite Arbeitskammer 44 definiert. Entsprechend der in 2 und 3 gezeigten OT-Stellung aller Kolben 22, 24, 26 bzw. des vierten Kolbens sind die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 minimal. In der UT-Stellung sind die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 entsprechend maximal.
Die Drehachse 28 geht durch beide Arbeitskammern 42 und 44 hindurch, und zwar mittig durch die Arbeitskammern 42 und 44 hindurch.
Entsprechend der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und des vierten Kolbens verkleinern und vergrößern sich die Volumina der Arbeitskammern 42 und 44 periodisch.
Die Arbeitskammer 42 wird zum einen durch eine Endfläche 46 des Kolbens 22 und eine Endfläche 48 des Kolbens 24 sowie durch den Kolbenkäfig 30 begrenzt, wobei die Endflächen 46 und 48 einander zugewandt sind. Der dritte Kolben 26 weist eine entsprechende Endfläche 50 auf, die mit der ihr zugewandten Endfläche (nicht dargestellt) des vierten Kolbens die Arbeitskammer 44 in Verbindung mit dem Kolbenkäfig 30 begrenzt. Wie insbesondere bei dem dritten Kolben 26 in 2 und in 4 und 5 zu sehen ist, sind die Endflächen 46, 48 und 50 kreisförmig, und entsprechend sind die Bohrungen in dem Kolbenkäfig 30, in denen die Kolben 22, 24, 26 und der vierte Kolben gleitend gelagert sind, kreisförmig, wie für die Bohrung 52 für den dritten Kolben 26 und den vierten Kolben erkennbar ist.
In den Arbeitskammern 42 bzw. 44 finden aufgrund der hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und des vierten Kolbens beim Umlaufen um die Drehachse 28 periodisch die Takte des Einlassens, Verdichtens, Arbeitens (Expandierens) und Ausstoßens statt.
Für den dazu erforderlichen periodischen Gaswechsel in die und aus den Arbeitskammern 42 und 44 ist der Arbeitskammer 42 gemäß 1 ein Gaswechselsystem 54 und der Arbeitskammer 44 ein Gaswechselsystem 56 zugeordnet.
Da das Gaswechselsystem 54 und das Gaswechselsystem 56 konstruktiv identisch ausgebildet sind, beschränkt sich die nachfolgende Beschreibung auf das Gaswechselsystem 54.
Das Gaswechselsystem 54 weist einen gehäusefesten Gaseinlass 58 und einen gehäusefesten Gasauslass 60 auf, die hier durch Stutzen am Gehäuse 12 dargestellt sind. Der Kolbenkäfig 30 weist eine Gaswechselöffnung 62 auf, die auf der Drehachse 28 angeordnet und zu dieser konzentrisch ist. Die Gaswechselöffnung 62 setzt sich gemäß 4 und 5 in einen Kanal 64 fort, der als Bohrung in einem axialen Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 ausgebildet ist, wobei der Fortsatz 66 konzentrisch zur Drehachse 28 ausgebildet ist, wie insbesondere aus 3 hervorgeht.
Beim Umlaufen des Kolbenkäfigs 30 um die Drehachse 28 kommuniziert der Kanal 64 abwechselnd mit dem Gaseinlass 58, wie in 4 dargestellt ist, und mit dem Gasauslass 60, wie in 5 dargestellt ist. In der in 3 gezeigten Drehstellung des Kolbenkäfigs 30 kommuniziert der Kanal 64 in dem Fortsatz 66 weder mit dem Gaseinlass 58 noch mit dem Gasauslass 60.
Zum druckdichten Verschließen der Gaswechselöffnung 62 in dem Kolbenkäfig 30 ist in der Gaswechselöffnung 62 ein Schließglied 68 angeordnet, das Teil des Gaswechselsystems 54 ist.
Das Schließglied 68 ist in Form eines Tellerventils, in der gezeigten Ausführung als Tulpenventil ausgebildet und weist einen Ventilteller 70 auf, der in der Schließstellung des Schließglieds 68 an einem Ventilsitz 72 anliegt, der innenseitig am Kolbenkäfig 30 am Rand der Gaswechselöffnung 62 ausgebildet ist. Der Ventilteller 70 und der Ventilsitz 72 sind kreisförmig oder oval. In 2 und 3 ist das Schließglied 68 in seiner Schließstellung gezeigt, in der es die Gaswechselöffnung 62 gegen den Kanal 64 in dem Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 hermetisch dicht verschließt. In der Arbeitskammer 42 kann somit ein zuvor eingelassenes Gas hochverdichtet und nach Zündung mit entsprechend hohem Druck expandiert werden.
Ausgehend von seiner Schließstellung gemäß 2 und 3 kann das Schließglied 68 in Richtung der Drehachse 28 axial in seine Offenstellung gemäß 4 und 5 bewegt werden, so dass gemäß 4 Gas durch den Gaseinlass 58 in die Arbeitskammer 42 eingelassen werden kann und gemäß 5 Gas aus der Arbeitskammer 42 über den Gasauslass 60 wieder ausgestoßen werden kann.
Das Schließglied 68 ist mit dem Kolbenkäfig 30 drehfest verbunden und dreht mit dem Kolbenkäfig 30 um die Drehachse 28, wobei die drehfeste Verbindung zwischen dem Schließglied 68 und dem Kolbenkäfig 30 über den Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 erfolgt, wie noch später beschrieben wird. Der Ventilteller 70 und der Ventilsitz 72 führen somit bei rotierendem Schließglied 68 keine Rotationsbewegung in Drehrichtung um die Drehachse 28 aus. Demgegenüber ist das Schließglied 68 relativ zum Kolbenkäfig 30 in Richtung der Drehachse 28, d. h. axial beweglich, damit es entsprechend seiner Funktion von seiner Schließstellung in seine Offenstellung und umgekehrt bewegt werden kann.
Um das Schließglied 68 aus seiner Schließstellung gemäß 2 und 3 in die Offenstellung gemäß 4 und 5 zu bewegen, in der das Schließglied 68 in die Arbeitskammer 42 hinein verschoben ist, ist ein Steuermechanismus 74 für das Schließglied 68 vorgesehen, der die axiale Bewegung des Schließglieds 68 aus der Drehbewegung des Schließglieds 68 um die Drehachse 28 ableitet, wenn das Schließglied 68 zusammen mit dem Kolbenkäfig 30 um die Drehachse 28 rotiert.
Der Steuermechanismus 74 weist dazu ein gehäusefestes Steuerelement 76 und ein schließgliedfestes Steuerelement 78 auf. Das gehäusefeste Steuerelement 76 ist in einem Gehäuseteil 80 angeordnet (vgl. auch 1), das mit dem Gehäusestirndeckel 18 verbunden ist. Das Steuerelement 76 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 bis 5 sowohl axial als auch in Drehrichtung um die Drehachse 28 unverstellbar.
Das schließgliedfeste Steuerelement 78 ist über einen Ventilstößel 82 des Schließglieds 68 mit dem Ventilteller 70 des Schließglieds 68 drehfest verbunden. Wie bereits erwähnt, ist das Schließglied 68 mit dem Kolbenkäfig 30 drehfest verbunden, was in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert ist, dass das Steuerelement 78 einen Zapfen 84 aufweist, der formschlüssig und damit drehschlüssig, jedoch axial beweglich in einer komplementär konturierten Aufnahme 86 in dem Fortsatz 66 des Kolbenkäfigs 30 aufgenommen ist. In 6a) und b) sind das gehäusefeste Steuerelement 76 und das schließgliedfeste Steuerelement 78 in Alleinstellung und in auseinandergezogener Darstellung gezeigt. Der mit dem gehäusefesten Steuerelement 76 einstückig verbundene Zapfen 84 ist hier als Vierkant gezeigt.
An dem gehäusefesten Steuerelement 76 ist ebenfalls eine Drehsicherung in Form von einer oder mehreren Abflachungen 88 vorgesehen, die mit entsprechenden Flächen im Gehäuseteil 80 zusammenwirken, um das Steuerelement 76 unbeweglich zu halten.
Das schließgliedfeste Steuerelement 78 und das gehäusefeste Steuerelement 76 sind beide flächig ausgebildet, d. h. sie weisen einander zugewandte Steuerflächen 90 und 92 auf. Die Steuerflächen 90 und 92 erstrecken sich konzentrisch um die Drehachse 28 herum, befinden sich jedoch außerhalb der Drehachse 28. Die Steuerfläche 90 verjüngt sich konkav von radial außen nach radial innen, und die Steuerfläche 92 verjüngt sich konvex von radial außen nach radial innen, so dass die beiden Steuerflächen 90 und 92 im Wesentlichen komplementär zueinander sind.
An der Steuerfläche 92 des schließgliedfesten Steuerelements 78 ist ein schließgliedfester Steuernocken 94 ausgebildet, der in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 gesehen ein erstes Ende 96 und ein zweites Ende 98 aufweist, wobei der Steuernocken 94 zwischen den Enden 96 und 98 über den verbleibenden Teil der Steuerfläche 92 axial erhaben ist. Der Übergang dieser Erhabung im Bereich der Enden 96 und 98 in den verbleibenden Teil der Steuerfläche 92 ist sinusförmig ausgebildet.
Die Steuerfläche 90 des gehäusefesten Steuerelements 76 weist dagegen zwei gehäusefeste Steuernocken 100 und 102 auf, die in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 gesehen voneinander beabstandet sind und jeweils eine axiale Erhabung an der Steuerfläche 90 darstellen, die wie der Steuernocken 94 im Wesentlichen sinusförmig ausgebildet sind.
Im montierten Zustand gemäß 2 bis 5 greifen die Steuerflächen 90 und 92 ineinander ein, so dass der Steuernocken 92 beim Rotieren des Steuerelements 78 um die Drehachse 28 nacheinander an den Steuernocken 100 und 102 vorbeiläuft und mit diesen in Eingriff kommt und wieder außer Eingriff kommt, wobei bei jedem In-Eingriff-Kommen das Steuerelement 78 und damit über den Ventilstößel 82 das Schließglied 68 in seine Offenstellung gedrückt bzw. geschoben wird, wie in 4 und 5 dargestellt ist. Die umfängliche Erstreckung der Steuernocken 94 sowie 100 und 102 sowie die umfängliche Anordnung der Steuernocken 100 und 102 ist entsprechend den Zeitpunkten des Öffnens, des Schließens und der Dauer des Öffnungszustandes des Schließglieds 68 sowie dem erforderlichen Hub des Schließglieds 68 ausgestaltet.
Die Rückstellung des Schließglieds 68 von seiner Offenstellung in seine Schließstellung wird durch ein Energiespeicherelement 104 beispielsweise in Form einer Druckfeder bewerkstelligt, die in der Aufnahme 86 des Fortsatzes 66 des Kolbenkäfigs 30 angeordnet ist und sich einerseits gegen den Zapfen 84 des schließgliedfesten Steuerelements 78 und andererseits gegen den Kolbenkäfig 30 abstützt, so dass das Schließglied 68 in seine Schließstellung gemäß 2 und 3 vorgespannt ist. Die Rückstellung des Schließglieds 68 von seiner Offenstellung in seine Schließstellung erfolgt automatisch dann, wenn der Steuernocken 94 des schließgliedfesten Steuerelements 78 mit dem Steuernocken 100 bzw. dem Steuernocken 102 außer Eingriff kommt.
Durch das Vorsehen zweier Steuernocken 100 und 102 an dem gehäusefesten Steuerelement 76 wird das Schließglied 68 bei einem vollen Umlauf des schließgliedfesten Steuerelements 78 zweimal geöffnet, und zwar einmal zum Einlassen eines Gases in die Arbeitskammer 42 (4), und einmal zum Ausstoßen von Gas aus der Arbeitskammer 42 (5).
Der zuvor beschriebene Steuermechanismus 74 stellt eine konstruktiv sehr einfache Möglichkeit der Steuerung des Schließglieds 68 dar. In dieser einfachen Ausgestaltung lässt sich der Zeitpunkt des Öffnens und der Zeitpunkt des Schließens und die Dauer des Öffnens des Schließorgans 68 während des Betriebs der Rotationskolbenmaschine 10 nicht verändern.
Nachfolgend werden Weiterbildungen dieses Steuermechanismus beschrieben, bei denen der Steuermechanismus einstellbar ist, um den Zeitpunkt des Öffnens und/oder den Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds 68 zu verändern.
Ein solcher Steuermechanismus 74a ist in 7a) und 7b) dargestellt, wobei sich die nachfolgende Beschreibung auf die Unterschiede zu dem Steuermechanismus 74 beschränkt.
Der Unterschied des Steuermechanismus 74a zu dem Steuermechanismus 74 besteht darin, dass das gehäusefeste Steuerelement 76a gemäß 9a) bis c) zwei Segmente 106 und 108 aufweist, die zusammen die Steuerfläche 90a bilden, die entsprechend auf beide Segmente 106 und 108 in Umfangsrichtung hälftig aufgeteilt ist. Die Segmente 106 und 108 sind gleitend auf einem Lagerring 109 gelagert.
Der Steuernocken 100 ist dabei an dem Segment 108 und der Steuernocken 102 an dem Segment 106 ausgebildet.
Die beiden Segmente 106 und 108 sind in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 herum unabhängig voneinander lageverstellbar, wodurch die Steuernocken 100 und 102 in ihrer Winkelstellung bezüglich der Drehachse 28 verstellbar sind. Die Winkelverstellung des Steuernockens 100 und/oder 102 um die Drehachse 28 verändert den Zeitpunkt des Öffnens des Schließglieds 68 als auch den Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds 68 beim Vorgang des Einlassens von Gas in die Arbeitskammer 42 und/oder beim Vorgang des Ausstoßens von Gas aus der Arbeitskammer 42.
In 11a) und b) sind Antriebe zum Lageverstellen der beiden Segmente 106 und 108 des gehäusefesten Steuerelements 78a dargestellt.
Zur Lageverstellung des Segments 108 ist ein Antrieb 110, beispielsweise ein Servomotor, vorgesehen, der eine Schnecke 112 in zwei entgegengesetzten Drehrichtungen antreiben kann, wobei die Schnecke 112 mit einer Außenverzahnung 114 des Segments 108 in Eingriff steht, wobei je nach Drehrichtung der Schnecke 112 das Segment 108 im oder entgegen dem Uhrzeigersinn um die Drehachse 28 lageverstellt wird. Der Verstellwinkel kann dabei auf 5° bis 20° begrenzt sein.
Für das Segment 106 ist ein Antrieb 116 vorgesehen, der eine Schnecke 118 antreibt, die mit einer Außenverzahnung 120 des Segments 106 zusammenwirkt, um dieses um die Drehachse 28 lagezuverstellen.
In 1 sind die Antriebe 110 und 116 ebenfalls dargestellt.
In 8a) und b) ist eine weitere Weiterbildung des Steuermechanismus dargestellt, die eine weitere Einstellmöglichkeit für die Steuerung des Schließglieds 68 besitzt, wobei sich 8a) und b) auf das Gaswechselsystem 56 beziehen, das aber wie bereits erwähnt konstruktiv (bis auf die Winkellage bezüglich der Drehachse 28) mit dem Gaswechselsystem 54 identisch ist.
Dieser mit dem Bezugszeichen 74b versehene Steuermechanismus ist weiterhin einstellbar, um den Hub des Schließglieds 68 zwischen der Schließstellung und der Offenstellung zu verändern, sowie um die Dauer des Offenzustands des Schließglieds 68 zu verändern.
Der Steuermechanismus 74b ist dazu in der Lage, das gehäusefeste Steuerelement 76b relativ zu dem schließgliedfesten Steuerelement 78b axial, d. h. in Richtung der Drehachse 28 lagezuverstellen, d. h. die Steuerfläche 90b von der Steuerfläche 92b mehr oder weniger zu beabstanden. Durch die Beabstandung der Steuerflächen 90b und 92b werden auch die zugehörigen Steuernocken 100b, 102b und 94b mehr oder weniger voneinander beabstandet, wodurch die Eingriffsdauer dieser Steuernocken beim Umlaufen des schließgliedfesten Steuerelements 78b um die Drehachse 28 und damit die Öffnungsdauer des Schließglieds 68 verkürzt bzw. verlängert wird, und ebenso wird der axiale Hub des schließgliedfesten Steuerelements 78b und damit der Hub des Schließglieds 68 zwischen seiner Schließstellung und seiner Offenstellung vergrößert oder verkleinert.
In 10a) und b) ist das gehäusefeste Steuerelement 76b dargestellt, das gegenüber dem gehäusefesten Steuerelement 76a einen axialen Fortsatz 122 mit einem Gewinde 124 aufweist.
Gemäß 12 steht mit diesem Gewinde 124 ein Zwischenrad 126 in Eingriff, das axial unbeweglich ist, und das eine Außenverzahnung 128 aufweist, mit der eine Schnecke 130 in Eingriff steht, die von einem Antrieb 132 in Drehung versetzt wird. Der Antrieb 132 ist in 1 ebenfalls dargestellt.
Mit Bezug auf 13 wird nachfolgend die Funktionsweise des Gaswechselsystems 54 beschrieben.
In 13f) ist in Blickrichtung von der Arbeitskammer 42 her das gehäusefeste Steuerelement 76b dargestellt, das für die Zwecke der nachfolgenden Beschreibung in vier Sektoren 1, 2, 3 und 4, die sich jeweils über etwa 90° erstrecken, unterteilt ist. Ein Pfeil 131 deutet die Umlaufrichtung des schließgliedfesten Steuerelements 78b um die Drehachse 28 an. Mit R ist der maximale Bereich der Lageverstellung der Segmente 106 und 108 mit den Steuernocken 100b und 102b in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 veranschaulicht, der etwa 15° beträgt.
In 13a) ist das gehäusefeste Steuerelement 76 sowie das schließgliedfeste Steuerelement 78 jeweils in abgerollter Darstellung gezeigt, wobei sich die in 13a) linken Enden der Steuerelemente 76, 78 an das jeweilige rechte Ende anschließen.
13a) betrifft den einfachsten Fall des Steuermechanismus 74 ohne Verstellmöglichkeiten für die gehäusefesten Steuernocken 100 und 102. In 13a) ist das schließgliedfeste Steuerelement 78 mit seinem schließgliedfesten Steuernocken 94 in einer Umlaufstellung um die Drehachse 28 gezeigt, in der der Steuernocken 94 sich gerade im Übergang von Sektor 4 zu Sektor 1 des gehäusefesten Steuerelements 76 befindet. Das Schließglied 68 ist in dieser Umlaufstellung des schließgliedfesten Steuerelements 78 geschlossen. In der Arbeitskammer 42 ist gerade der Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) beendet. Die Kolben 22 und 24 befinden sich dabei in der UT-Stellung. Läuft das schließgliedfeste Steuerelement 78 mit dem schließgliedfesten Steuernocken in Richtung eines Pfeils 133 an dem gehäusefesten Steuerelement 76 entlang, so läuft der schließgliedfeste Steuernocken 94 zunächst auf den gehäusefesten Steuernocken 100 auf, wodurch das Schließglied 68 geöffnet wird, während sich die Kolben 22, 24 von ihrer UT-Stellung in Richtung ihrer OT-Stellung aufeinander zu bewegen. Es findet nun der Arbeitstakt des Auslassens von Gas aus der Arbeitskammer 42 durch den Gasauslass 60 hindurch statt, wie in 5 dargestellt ist. Am Ende des Sektors 1 schließt das Schließglied 68 aufgrund der Vorspannung mittels des Energiespeicherelements 104 selbsttätig. Die Kolben 22, 24 befinden sich nun in der OT-Stellung, in der die Arbeitskammer 42 gemäß 3 minimales Volumen aufweist.
Unmittelbar danach läuft der schließgliedfeste Steuernocken 94 auf den gehäusefesten Steuernocken 102, und das Schließglied 68 wird wieder geöffnet, um nunmehr Gas durch den Gaseinlass 58 in die Arbeitskammer 42 einzulassen, wie in 4 dargestellt ist. Am Ende von Sektor 2 wird das Schließglied 68 wieder geschlossen. Wenn der schließgliedfeste Steuernocken 94 anschließend an dem gehäusefesten Steuerele ment 76 entlang der Sektoren 3 und 4 desselben läuft, ist das Schließglied 68 geschlossen, und es findet in der Arbeitskammer 42 zunächst der Arbeitstakt des Verdichtens ausgehend von der UT-Stellung der Kolben 22, 24 und anschließend ausgehend von der OT-Stellung der Kolben 22, 24 wieder der Arbeitstakt des Arbeitens statt. Die Kolben 22, 24 sind dann insgesamt ausgehend vom linken Ende in 13a) bis zum Ende in 13a) um 360° um die Drehachse 28 zusammen mit dem Kolbenkäfig 30 in dem Gehäuse 12 umgelaufen.
In 13b) bis d) ist die gleiche Funktionsweise wie in 13a) nunmehr für das gehäusefeste Steuerelement 76a dargestellt, das eine Lageverstellung der gehäusefesten Steuernocken 100a und 102a um die Drehachse 28 zulässt, um den Zeitpunkt des Öffnens und Schließens des Schließglieds 68 zu verändern.
13b) zeigt eine Einstellung des gehäusefesten Steuerelements 76a, bei der das Segment 108 um die Drehachse 28 so lageverstellt wurde, dass der Arbeitstakt des Auslassens (Sektor 1) früher beginnt, während der Zeitpunkt des Beginns des Einlassens unverändert, d. h. neutral ist. O bezeichnet die Dauer der Offenstellung des Schließglieds 68.
13c) zeigt eine Lageverstellung des gehäusefesten Steuerelements 76a, bei der das Segment 108 des Steuerelements 76a in umgekehrter Weise zu 13b) derart um die Drehachse 28 lageverstellt wurde, dass der Arbeitstakt des Auslassens später beginnt, während der Zeitpunkt des Einlassens weiterhin unverändert ist.
13d) zeigt einen Betriebszustand, bei dem nunmehr das Segment 106 um die Drehachse 28 lageverstellt wurde, während sich das Segment 108 in Neutralstellung befindet. Der Zeitpunkt des Beginns des Auslassens ist somit gegenüber der Neutralstellung unverändert, während das Einlassen gegenüber der Neutralstellung früher beginnt.
13e) zeigt die Funktionsweise des Gaswechsels im Fall der Verwendung des gehäusefesten Steuerelements 76b, das relativ zum schließgliedfesten Steuerelement 78 axial in Richtung der Drehachse 28 lageverstellbar ist. 13e) zeigt eine axiale Stellung des gehäusefesten Steuerelements 76b, in der es von dem schließgliedfesten Steuerelement 78 gegenüber den Darstellungen in 13a) bis d) weiter beabstandet ist. Die Folge ist, dass der schließgliedfeste Steuernocken 94 mit den gehäusefesten Steuernocken 100b und 102b jeweils kürzer in Eingriff steht und auch der Hub des schließgliedfesten Steuerelements 78 und damit auch des Schließglieds 68 verringert ist. 13e) zeigt insbesondere eine Betriebsstellung des gehäusefesten Steuerelements 76b, in der die Dauer O₁ des Auslassens verringert ist, weil die Eingriffsdauer des schließgliedfesten Steuernockens 94 mit dem gehäusefesten Steuernocken 100b verkürzt ist. Der gehäusefeste Steuernocken 102b ist zusätzlich noch in Richtung um die Drehachse 28 derart lageverstellt, dass der Zeitpunkt des Einlassens gegenüber der Neutralstellung später liegt und gleichzeitig auch die Dauer O₁ des Einlassens aufgrund der axialen Verstellung des gehäusefesten Steuerelements 76b kürzer als in der Neutralstellung ist.
Die Funktionsweise des Gaswechselsystems 56, das der Arbeitskammer 44 zugeordnet ist, ist die gleiche, mit dem einzigen Unterschied, dass die Arbeitstakte des Arbeitens, Auslassens, Einlassens, Verdichtens gegenüber dem Gaswechselsystem 54 um zwei Arbeitstakte phasenverschoben ist. Während in der Arbeitskammer 42 gerade der Arbeitstakt des Arbeitens stattfindet, findet in der Arbeitskammer 44 der Arbeitstakt des Einlassens statt, usw.
In 14a) und b) ist eine Ausgestaltungsvariante des Schließglieds 68 dargestellt, die sich für die Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine eignet, die mit Ottokraftstoff betrieben werden kann. In den Gaseinlass 58 ist dazu eine Kraftstoffeinspritzdüse 147 integriert, durch die Kraftstoff 135 in den Gaseinlass 58 eingespritzt werden kann, so dass bei geöffnetem Schließglied 68 ein Gas in die Arbeitskammer 42 eingelassen werden kann, das ein Gemisch aus Luft und Kraftstoff ist. Um das Gas in der Arbeitskammer 42 zu zünden, ist in das Schließglied 68 eine Zündvorrichtung 134 integriert, dessen Zündelektroden 136 in unmittelbarer Nähe zur Drehachse 28 angeordnet sind.
Die Zündelektroden 136 befinden sich auf Höhe des Ventiltellers 70. Der Ventilstößel 82 des Schließglieds 68 ist zu diesem Zweck als Hohlrohr ausgebildet, in dem die Zündvorrichtung 134 bezüglich der Drehachse 28 feststehend angeordnet ist, d. h. die Zündvorrichtung 134 dreht nicht zusammen mit dem Ventilstößel 82 und dem Ventilteller 70 um die Drehachse 28 mit. Die Zündvorrichtung 134 oder Zündkerze weist elektrische Zuleitungen auf, die bis zu einem Kabelanschluss 139 reichen. Dabei geht die Zündvorrichtung 134 durch die Steuerelemente 76 und 78 (bzw. 76a oder 76b) hindurch. Gegebenenfalls kann Druckluft 141 durch den Spalt zwischen der Zündvorrichtung 134 und dem Stößel 82 in die Arbeitskammer eingeblasen werden, um ein Rückschlagen des brennenden Gases zu vermeiden.
In 15 ist eine weitere Abwandlung des Schließglieds 68 dargestellt, die sich insbesondere für eine Verwendung der Rotationskolbenmaschine 10 als Dieselmotor eignet.
Durch den wiederum als Hohlrohr ausgebildeten Ventilstößel 82 des Schließglieds 68 erstreckt sich eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138, an deren arbeitskammerseitigen Ende eine Einspritzdüse 140 mit einer Mehrzahl an feinen Düsenöffnungen 142 angeordnet ist, durch die Dieselkraftstoff unter sehr hohem Druck in die Arbeitskammer 42 eingespritzt werden kann. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 ist in dem Ventilstößel 82 wiederum vorzugsweise bezüglich der Drehachse 28 feststehend angeordnet. An der Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 kann noch ein Glühfaden 146 angeordnet sein. Die Kraftstoffeinspritzvorrichtung 138 erstreckt sich durch den Stößel 82 und durch die Steuerelemente 78 und 76 (bzw. 76a oder 76b) hindurch bis zu einem nicht näher dargestellten Einspritzventil.
Diese Ausführungsbeispiele zeigen, dass es trotz Vorhandensein des Schließglieds 68 auf der Drehachse 20 möglich ist, die Rotationskolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine zu verwenden, und zwar sowohl als Otto- als auch als Dieselmotor.

Claims

Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest zwei Kolben (22, 24) angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse (12) um eine gehäusefeste Drehachse (28) umlaufen können, wobei die Kolben (22, 24) in einem Kolbenkäfig (30) gleitend gelagert sind, der im Gehäuse (12) gelagert ist und gemeinsam mit den Kolben (22, 24) um die Drehachse (28) umläuft, wobei die beiden Kolben (22, 24) beim Umlaufen um die Drehachse (28) zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführen, um eine durch einander zugewandte Endflächen (46, 48) der beiden Kolben (22, 24) und den Kolbenkäfig (30) definierte Arbeitskammer (42) im Volumen abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern, wobei die Drehachse (28) durch die Arbeitskammer (42) verläuft, und wobei der Kolbenkäfig (30) eine Gaswechselöffnung (62) für das Ein- und Auslassen von Gas in die und aus der Arbeitskammer (42) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselöffnung (62) auf der Drehachse (28) angeordnet ist, und dass in der Gaswechselöffnung (62) ein Schließglied (68) angeordnet ist, das mit dem Kolbenkäfig (30) bezüglich der Drehachse (28) drehfest verbunden und zum Öffnen und Schließen der Gaswechselöffnung (62) in Richtung der Drehachse (28) relativ zum Kolbenkäfig (30) axial beweglich ist, wobei ein Steuermechanismus (74; 74a; 74b) für das Schließglied (68) vorhanden ist, der die axiale Bewegung des Schließglieds (68) aus der Drehbewegung des Schließglieds (68) um die Drehachse (28) ableitet.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schließglied (68) als Tellerventil, insbesondere als Tulpenventil ausgebildet ist, dessen Ventilteller (70) in der Schließstellung an einem Ventilsitz (72) anliegt, der innenseitig am Kolbenkäfig (30) ausgebildet ist, und zum Öffnen der Gaswechselöffnung in Richtung in die Arbeitskammer (42) hinein beweglich ist.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74; 74a; 74b) zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken (94) und zumindest einen mit dem schließgliedfesten Steuernocken (94) zusammenwirkenden gehäusefesten Steuernocken (100, 102; 100a, 102a; 100b, 102b) aufweist, derart, dass das Schließglied (68) beim Vorbeilaufen des schließgliedfesten Steuernockens (94) an dem gehäusefesten Steuernocken (100, 102; 100a, 102a; 100b, 102b) aus seiner Schließstellung in die Offenstellung bewegt wird.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74; 74a; 74b) einen schließgliedfesten und zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete gehäusefeste Steuernocken (94, 100, 102; 94, 100a, 102a; 94, 100b, 102b) oder zwei in Umfangsrichtung beabstandet angeordnete schließgliedfeste Steuernocken und einen gehäusefesten Steuernocken aufweist.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine schließgliedfeste Steuernocken (94) im Randbereich eines schließgliedfesten flächigen Steuerelements (78) ausgebildet ist und der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken (100, 102; 100a, 102a; 100b, 102b) im Randbereich eines dem schließgliedfesten flächigen Steuerelement (78) gegenüberstehenden gehäusefesten flächigen Steuerelement (76; 76a; 76b) angeordnet ist.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäusefeste flächige Steuerelement (76; 76a; 76b) eine sich konkav verjüngende und das schließgliedfeste flächige Steuerelement (78) im wesentlichen komplementär dazu eine sich konvex verjüngende Steuerfläche (90, 92; 90, 92a; 90, 92b) aufweist, und dass die Steuernocken (94, 100, 102; 94, 100a, 102a; 94, 100b, 102b) an diesen Steuerflächen ausgebildet sind.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74a; 74b) einstellbar ist, um den Zeitpunkt des Öffnens und/oder den Zeitpunkt des Schließens des Schließglieds (68) zu verändern.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 6 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken (100a, 102a; 100b, 102b) in Umfangsrichtung um die Drehachse (28) lageverstellbar ist.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide gehäusefesten Steuernocken (100a, 102a; 100b, 102b) in Umfangsrichtung lageverstellbar sind, vorzugsweise unabhängig voneinander lageverstellbar sind.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 6 und nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das gehäusefeste Steuerelement (76a; 76b) zwei Segmente (106, 108) aufweist, die jeweils einen der gehäusefesten Steuernocken (100a, 102a; 100b, 102b) aufweisen, wobei die beiden Segmente (106, 108) in Umfangsrichtung um die Drehachse (28) relativ zueinander und/oder gemeinsam lageverstellbar sind.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74b) einstellbar ist, um die Dauer des Offenzustands des Schließglieds (68) zu verändern.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74b) einstellbar ist, um den Hub des Schließglieds (68) zwischen der Schließstellung und der Offenstellung zu verändern.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 10 und nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine gehäusefeste Steuernocken (100b, 102b) relativ zu dem zumindest einen schließgliedfesten Steuernocken (94) in Richtung der Drehachse (28) axial lageverstellbar ist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuermechanismus (74; 74a; 74b) ein Energiespeicherelement (104) zum axialen Rückstellen des Schließglieds (68) aus der Offenstellung in die Schließstellung aufweist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaswechselöffnung (62) in einem axialen Fortsatz (66) des Kolbenkäfigs (30) ausgebildet ist, wobei die Gaswechselöffnung (62) in einen Kanal (64) in dem Fortsatz (66) mündet, der seitlich an dem Fortsatz nach außen führt und beim Umlaufen des Kolbenkäfigs (30) abwechselnd mit einem gehäuseseitigen Gaseinlass (58) und mit einem gehäuseseitigen Gasauslass (60) kommuniziert.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schließglied (68) eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung (138) angeordnet ist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Schließglied eine Zündvorrichtung (134) zum Zünden eines Gases in der Arbeitskammer angeordnet ist.