DE102009028086A1

DE102009028086A1 - Rotationskolbenmaschine sowie Aufladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102009028086A1
Application number: DE200910028086
Authority: DE
Inventors: Andreas Mauch; Thorten Droigk
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-07-29
Filing date: 2009-07-29
Publication date: 2011-02-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine (2, 3) mit einem Gehäuse (5, 6), das eine Kammer (16, 17) aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben (7, 8) exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer (16, 17) in eine erste Teilkammer (18, 20) und eine zweite Teilkammer (19, 21) aufteilt. Dabei ist vorgesehen, dass die Außenkontur (22) des Rotationskolbens (7, 8) - im Querschnitt gesehen - eine zweibogige Hypotrochoide ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Aufladeeinrichtung (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzellenanordnung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit einem Gehäuse, das eine Kammer aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer aufteilt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Aufladeeinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzellenanordnung.
Stand der Technik
Rotationskolbenmaschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können für verschiedene technische Zwecke eingesetzt werden. Je nachdem, welche Geometrie der Rotationskolben beziehungsweise die diesen umgebende Kammer aufweist, entstehen unterschiedliche Möglichkeiten zur Nutzung des Funktionsprinzips. Das bekannteste Beispiel einer Rotationskolbenmaschine stellt der Wankelmotor dar, bei welchem ein dreibogiger Rotationskolben innerhalb einer Kammer umläuft, deren (Innen-)Kontur mathematisch exakt durch eine Epitrochoide beschrieben werden kann. Der Rotationskolben selbst lässt sich jedoch nicht mittels einer mathematischen Definition beschreiben, sondern entsteht durch eine graphische Abbildungsvorschrift als Hüllfigur des Rotationskolbens. Wird die Kontur der Kammer mathematisch vorgegeben, so bewegen sich die Spitzen eines auf die beschriebene Weise erzeugten Rotationskolbens stets exakt auf der Linie der Kontur. Diese Eigenschaft wird beim Wankelmotor genutzt.
Rotationskolbenmaschinen können beispielsweise zur Realisierung einer Aufladeeinrichtung verwendet werden. Beispielsweise beschreibt die DE 10 2006 030 796 A1 eine Aufladeeinrichtung für Verbrennungskraftmaschinen oder für Brennstoffzellen. Die Aufladeeinrichtung weist einen Rotationskolben auf, der exzentrisch innerhalb einer Kammer um eine Welle rotiert. Der Rotationskolben weist Rotationskolbenflächen auf und bildet mit der ihn umschließenden Kammer eine Expansionskammer und eine Verdichterkammer der Aufladeeinrichtung. Daher müssen auf beiden Seiten, also sowohl auf der Seite der Verdichterkammer als auch auf der Seite der Expansionskammer, jeweils mindestens zwei Einlässe und zwei Auslässe vorgesehen werden. Ein Druckunterschied zwischen Einlass und Auslass der Expansionskammer kann für die Gewinnung von Leistung zum Antrieb des Rotationskolbens genutzt werden. Diese Leistung kann in der Verdichterkammer zum Verdichten des verwendeten Gases eingesetzt werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Leistung auch extern zugeführt beziehungsweise ergänzt werden, beispielsweise mittels eines Elektromotors. Die beschriebene Aufladeeinrichtung ist insbesondere für eine Anwendung mit Brennstoffzellen interessant, da die Abgase solcher Brennstoffzellen systembedingt unter hohem Druck stehen. Die in dem Abgas gespeicherte Energie kann mittels der Aufladeeinrichtung zurückgewonnen werden, was beispielsweise mittels eines herkömmlichen Turboladers prinzipiell nicht möglich ist.
Die DE 2 242 247 sowie DE 2 060 067 beschreiben eine Rotationskolbenpumpe beziehungsweise eine Rotationskolbenturbine. Analog zum Prinzip des Wankelmotors wird hier die Innenkontur der Kammer als einbogige Trochoide beziehungsweise Epitrochoide festgelegt und die Außenkontur des Rotationskolbens graphisch hergeleitet. Aus dieser Vorgehensweise resultiert die Eigenschaft, dass Spitzen des Kolbens stets exakt auf der Innenkontur der Kammer ablaufen. Allerdings ist die Außenkontur des Rotationskolbens nicht mathematisch bestimmbar, woraus sich Probleme, beispielsweise bei der Herstellung, ergeben können.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber weist die Rotationskolbenmaschine mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass eine vorteilhafte Außenkontur des Rotationskolbens verwendet wird, die insbesondere mathematisch beschreibbar ist. Dabei soll die Außenkontur des Rotationskolbens – im Querschnitt gesehen – eine zweibogige Hypotrochoide beziehungsweise eine zweibogige verkürzte Hypozykloide sein. Die Kammer, die auch als Kolbenkammer bezeichnet werden kann, weist zusätzlich mindestens einen in die Kammer mündenden Einlass und mindestens einen ebenfalls in die Kammer mündenden Auslass auf. Durch den Einlass kann Fluid in die Kammer einströmen, während es aus dem Auslass aus dieser herausgelangen kann. Da die Außenkontur des Rotationkolbens in ihrem Verlauf einer zweibogigen Hypotrochoide beziehungsweise einer zweibogigen verkürzten Hypozykloide entspricht, ergibt sich ein geringeres Volumen des Rotationskolbens. Der Rotationskolben weist also stirnseitig eine geringere Fläche auf, sodass in der Kammer im Vergleich mit anderen Kolbengeometrien mehr Volumen zur Verfügung steht, welches als Arbeitsvolumen der Rotationskolbenmaschine genutzt wird. Bei gleichem Bauraum der Rotationskolbenmaschine wird folglich pro Arbeitszyklus ein größeres Fluidvolumen bewegt. Zusätzlich entfällt unnötige, bewegte Masse (Kolbenmasse). Auf diese Weise ist eine kompaktere und wirtschaftliche Bauweise möglich.
Die beschriebene Rotationskolbenmaschine stellt eine 1:2-Rotationskolbenmaschine beziehungsweise -Kreiskolbenmaschine dar. In der eingangs erwähnten DE 10 2006 030 796 A1 wird eine 2:3-Rotationskolbenmaschine beschrieben. Bei einer solchen sind analog zum Wankelmotor drei Umdrehungen der Antriebswelle erforderlich, damit der Rotationskolben einmal vollständig rotiert. Bei der erfindungsgemäßen 1:2-Rotationskolben-maschine sind für eine Kolbenumdrehung jedoch nur zwei Umdrehungen notwendig. Somit ist die Betriebsdrehzahl erheblich reduziert. Beispielsweise ist für eine Kolbendrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute bei der 2:3-Rotationskolbenmaschine eine Wellendrehzahl von 9000 Umdrehungen pro Minute erforderlich, bei der erfindungsgemäßen 1:2-Rotationskolbenmaschine jedoch nur 6000 Umdrehungen pro Minute. Dies hat positive Auswirkungen auf die konstruktive Gestaltung der Rotationskolbenmaschine, da in der Rotationskolben-maschine vorgesehene Lager für geringere Drehzahlen ausgelegt werden können. Darüber hinaus ist eine geringere Antriebsleistung erforderlich.
Bei Rotationskolbenmaschinen rotiert der Schwerpunkt des Rotationskolbens exzentrisch, wobei dies mit der Drehzahl der Welle erfolgt und nicht mit der Drehzahl des Rotationskolbens. Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist aufgrund dieser Tatsache der Rotationskolben Zentripetalkräften ausgesetzt, deren Betrag proportional zum Quadrat der Wellendrehzahl ist. Im Vergleich der 2:3-Rotationskolbenmaschine mit der 1:2-Rotationskolbenmaschine ergibt sich ein Verhältnis der wirkenden Kräfte von 6000²/9000² = 44,4%. Die auftretenden Zentripetalkräfte können also deutlich reduziert werden, wodurch die Welle und der Rotationskolben schwächer ausgelegt werden können. Dies hat zur Folge, dass eine material- und platzsparende Bauweise der Rotationskolbenmaschine möglich ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die zweibogige Hypotrochoide durch die Gleichungen x = A (cos(t) + k cos(t)) y = A (sin(t) – k sin(t)) beschrieben ist, wobei x und y Koordinaten auf der Hypotrochoide, t eine Laufvariabel, A die Größe und k die Bauchigkeit der Hypotrochoide bezeichnen, und wobei 0 ≤ t < 2π gilt. Die Außenkontur des Rotationskolbens ist damit mathematisch definieren. Für unterschiedliche Werte von t ergeben sich Wertepaare von x und y, welche jeweils die Position eines Punktes auf der Außenkontur des Rotationskolbens beschreiben. Über den Wert von A kann die Größe des Rotationskolbens festgelegt werden. Der Wert von k bezeichnet die Bauchigkeit der Hypotrochoide, also insbesondere deren maximale Breite. Für k = 1 ergibt sich für die Außenkontur des Rotationskolbens lediglich ein Strich, für k = 0 ein Kreis. Für dazwischen liegende Werte ergeben sich Außenkonturen, die in ihrer Form einer Ellipse ähneln, nämlich zweibogige Hypotrochoiden beziehungsweise zweibogige verkürzte Hypozykloiden. Alternativ zu den beschriebenen Gleichungen kann die zweibogige Hypotrochoide auch auf weitere Arten beschrieben werden, insbesondere unter Angabe von Parametergleichungen, welche den oben stehenden ähneln.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass für die Bauchigkeit 0 < k < 1, vorzugsweise 0,2 ≤ k ≤ 0,4, besonders bevorzugt k = 0,3, gilt. Je nach Anwendungsfall der Rotationskolbenmaschine kann die Bauchigkeit des Rotationskolbens entsprechend gewählt werden. Üblicherweise werden für die Bauchigkeit Werte von 0 bis 1 gewählt, wobei diese jeweils nicht eingeschlossen sind. Bevorzugt werden Werte, die größer oder gleich 0,2 und kleiner oder gleich 0,4 sind, verwendet. Als besonders vorteilhaft hat sich ein Wert von 0,3 herausgestellt. Generell sind jedoch beliebige Werte für k zulässig, beispielsweise im Intervall von 0,2 bis 0,8.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Innenkontur der Kammer – im Querschnitt gesehen – einer Hüllfigur des Rotationskolbens entspricht. Nach dem Festlegen der Außenkontur des Rotationskolbens als zweibogige Hypotrochoide wird die Innenkontur der Kammer auf graphische Weise durch exzentrische Rotation der Rotationskolbenkontur erzeugt, wobei analog zum Prinzip des Wankelmotors eine Abrollbewegung zweier Kreise, allerdings im Verhältnis von 1:2, zugrunde gelegt wird. Die Innenkontur der Kammer entspricht damit der Hüllfigur des Rotationskolbens. Im Gegensatz zu dem Prinzip des Wankelmotors verschieben sich bei einer Rotation des Rotationskolbens die Berührungspunkte zu der Kammer auf den eher runden Spitzen des Rotationskolbens. Analog zur Erzeugung der Innenkontur der Kammer als Hüllfigur des Rotationskolbens sind selbstverständlich auch andere geeignete Vorgehensweisen möglich.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Hüllfigur eine nach innen weisende Spitze aufweist. Wird die Innenkontur der Kammer als Hüllfigur des Rotationskolbens erzeugt, so weist sie eine einzelne, nach innen weisende Spitze auf. Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine liegt der Rotationskolben stets an dieser Spitze an, wodurch sich, zumindest theoretisch eine permanente Trennung der ersten Teilkammer von der zweiten Teilkammer ergibt. Dies ist beim Prinzip des Wankelmotors nicht der Fall. Die Rotationskolbenmaschine zeichnet sich also dadurch aus, dass der Rotationskolben bei einer Drehung stets die nach innen weisende Spitze der Hüllfigur berührt und damit eine Trennung der beiden Teilkammern voneinander gewährleistet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein Einlass der ersten Teilkammer und ein Auslass der zweiten Teilkammer oder der Einlass der zweiten Teilkammer und der Auslass der ersten Teilkammer zugeordnet sind. Das Gehäuse der Rotatationskolbenmaschine weist also sowohl den Einlass als auch den Auslass auf. Dabei ist es vorgesehen, dass der Einlass mit der ersten Teilkammer und der Auslass mit der zweiten Teilkammer in Fluidverbindung stehen oder alternativ der Einlass mit der zweiten Teilkammer und der Auslass mit der ersten Teilkammer. Durch den Einlass kann Fluid in die Kammer gelangen und durch den Auslass wieder aus dieser heraus. Dabei hängt es von der Betriebsart der Rotationskolbenmaschine ab, ob der Fluiddruck am Einlass oder am Auslass höher ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einlass mindestens ein Einlassventil und/oder der Auslass mindestens ein Auslassventil aufweist. Sowohl das Einlassventil als auch das Auslassventil können steuerbar sein, insbesondere von einer Steuer-/Regelungseinrichtung der Rotationskolbenmaschine. Über das Einlassventil beziehungsweise das Auslassventil kann gezielt Fluid in die Kammer der Rotationskolbenmachine ein- beziehungsweise aus dieser ausgebracht werden. Bevorzugt wird das Auslassventil geöffnet, sobald ein bestimmter Druck in der dem Auslass zugeordneten Teilkammer erreicht ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Kammer im Wesentlichen zylindrisch ist. Das bedeutet, dass die Kammer zwei im Wesentlichen parallele Flächen aufweist, die eine Grund- beziehungsweise Deckfläche bilden, sowie eine Mantelfläche, die von parallelen Geraden gebildet wird. Diese parallelen Geraden, die die Mantelfläche bilden, entsprechen dabei der Innenkontur der Kammer. Demzufolge kann auch der Rotationskolben im Wesentlichen zylindrisch sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einlass und/oder der Auslass an einer Umfangsfläche der Kammer angeordnet sind. Ist die Kammer zylindrisch ausgebildet, so entspricht die Umfangsfläche der Mantelfläche der Kammer. Eine solche Anordnung von Einlass und/oder Auslass hat den Vorteil, dass keine Öffnungen in der Grund- beziehungsweise Deckfläche notwendig sind, was Dichtungsprobleme verursachen könnte.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine Verwendung der Rotationskolbenmaschine als Kompressor, Vakuumerzeuger oder Pumpe, insbesondere für Gase oder Flüssigkeiten, oder zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Überdruck aufweisenden Gasen oder Flüssigkeiten vor. Die Rotationskolbenmaschine kann demzufolge zur Herstellung eines höheren Drucks oder eines niedrigeren Drucks – im Vergleich zu einem Referenzdruck – verwendet werden. Ebenso kann sie zur Förderung von Fluiden, beispielsweise Gasen oder Flüssigkeiten, eingesetzt werden. Auch eine Erzeugung von mechanischer Energie aus Überdruck aufweisenden Gasen oder Flüssigkeiten ist möglich. Dies schließt insbesondere die Verwendung als Brennkraftmaschine ein, wobei durch die Verbrennung von Kraftstoff ein Überdruck in der Kammer der Rotationskolbenmaschine erzeugt und diese dadurch angetrieben wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung ist gekennzeichnet durch mindestens eine Dichtung, welche zwischen einer Wand der Kammer und dem Rotationskolben vorgesehen ist, um die Teilkammern gegeneinander abzudichten. Obwohl durch die geometrische Ausgestaltung des Rotationskolbens sowie der Kammer eine theoretisch dichte Trennung zwischen den Teilkammern vorliegt, kann es bei einer Realisierung der Rotationskolbenmaschine notwendig sein, eine zusätzliche Dichtung vorzusehen. Diese ist zwischen der Wand der Kammer und dem Rotationskolben anzuordnen. Auf diese Weise kann eine verbesserte Abdichtung zwischen den Teilkammern erreicht werden. Die Dichtung kann an der Wand der Kammer und/oder an dem Rotationskolben befestigt sein. Beispielsweise kann die Dichtung grundflächenseitig beziehungsweise deckflächenseitig an der Kammer vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich ist die Dichtung jedoch auch an der Umfangsfläche der Kammer beziehungsweis an Spitzen des Rotationskolbens anordenbar.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Aufladeeinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzellenanordnung, mit mindestens einer Rotationskolbenmaschine, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die Rotationskolbenmaschine über ein Gehäuse verfügt, das eine Kammer aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer in eine erste Teilkammer und eine zweite Teilkammer aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass die Außenkontur des Rotationskolbens – im Querschnitt gesehen – eine zweibogige Hypotrochoide ist. Mittels der vorstehend bereits beschriebenen Rotationskolbenmaschine soll also die Aufladeeinrichtung realisiert werden. Die Rotationskolbenmaschine weist das Gehäuse auf, in welcher die Kammer vorgesehen ist. In der Kammer ist der Rotationskolben gelagert, wodurch die Kammer in die erste und die zweite Teilkammer aufgeteilt ist. Der Rotationskolben trennt also die erste von der zweiten Teilkammer ab. Die Aufladeeinrichtung kann beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich eingesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass lediglich eine Rotationskolbenmaschine vorgesehen ist, wobei die erste Teilkammer als Expander und die zweite Teilkammer als Verdichter dient. Das bedeutet, dass jeder Teilkammer sowohl ein Einlass als auch ein Auslass zugeordnet sein muss. In die erste Teilkammer werden durch den ihr zugeordneten Einlass unter Druck stehende Abgase, beispielsweise der Brennkraftmaschine oder der Brennstoffzellenanordnung, zugeführt, wodurch der Rotationskolben in Bewegung gesetzt wird. Durch diese Bewegung wird in der zweiten Teilkammer befindliches Fluid, insbesondere Frischluft, verdichtet und durch den Auslass, der der zweiten Teilkammer zugeordnet ist, unter höherem Druck ausgestoßen. In der ersten Teilkammer wird also Abgas entspannt, während in der zweiten Teilkammer Frischluft auf ein höheres Druckniveau gebracht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mindestens zwei Rotationskolben über eine gemeinsame Welle miteinander wirkverbunden sind, wobei einer der Rotationskolben einem Verdichter und ein weiterer einem Expander zugeordnet ist. Eine solche Anordnung mit mehreren Rotationskolben – die beispielsweise mehreren Rotationskolbenmaschinen zugeordnet sind – ist generell der vorstehend beschriebenen Aufladeeinrichtung mit lediglich einer Rotationskolbenmaschine (und nur einem Rotationskolben) vorzuziehen, da aufgrund des exzentrisch drehbar gelagerten Rotationskolbens Ausgleichsmassen auf der Welle notwendig werden, um die durch den Rotationskolben verursachte Unwucht auszugleichen. Dies ist bei der Verwendung mehrerer Rotationskolben beziehungsweise Rotationskolbenmaschinen nicht notwendig, da die Rotationskolben in diesem Fall derart zueinander angeordnet werden können, dass sich die Unwuchten der Rotationskolben gegenseitig aufheben. Auf diese Weise kann die Belastung der gemeinsamen Welle vermindert werden. Beispielsweise kann die Ausfürhungs derart erfolgen, dass die Rotationskolben mindestens zweier Rotationskolbenmaschinen über eine gemeinsame Welle miteinander wirkverbunden sind, wobei eine der Rotationskolbenmaschinen als Verdichter und eine weitere als Expander dient. Jede der Rotationskolbenmaschinen weist jeweils den Einlass und den Auslass auf. Durch die Verwendung des Rotationskolbens mit der Außenkontur, die eine zweibogige Hypotrochoide ist, sind pro Rotationskolbenmaschine beziehungsweise pro Rotationskolben lediglich ein Einlass und ein Auslass notwendig. Bei alternativen Ansätzen, beispielsweise mit einem dreibogigen Rotationskolben, sind doppelt so viele Ein- und Auslässe notwendig, was deren Konstruktion aufwändig macht. Ebenso folgt automatisch, dass bei einer verringerten Anzahl von Ein- und Auslässen auch weniger Schließorgane, beispielsweise Ein-/Auslassventile erforderlich sind.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eine Rotationskolbenmaschine als Expander oder Verdichter vorgesehen ist und über die Welle mit einem Verdichter beziehungsweise Expander anderer Bauart wirkverbunden ist. In dieser Ausführungsform ist demnach lediglich eine Rotationskolbenmaschine vorgesehen, die über die Welle einen Verdichter antreibt oder von einem Expander angetrieben wird, die nicht als Rotationskolbenmaschinen ausgebildet sind. Beispielsweise können die Verdichter und Expander anderer Bauart Radial- oder Axialmaschinen sein. Auch Kolbenverdichter können eingesetzt werden.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die mindestens zwei Rotationskolben so auf der Welle angeordnet sind, dass sich ihre Schwerpunkte gegenüberliegen und/oder denselben Abstand zu der Welle aufweisen. Die Rotationskolben sind dabei beispielsweise den mindestens zwei Rotationskolbenmaschinen zugeordnet. Eine solche Anordnung bedeutet insbesondere, dass der gemeinsame Schwerpunkt der Rotationskolben in der Rotationsachse liegt. Somit gleichen sich die durch die Rotationskolben verursachten Zentripetalkräfte aus, womit Durchbiegung und mechanische Belastung der Welle vergleichsweise gering ausfallen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen den Rotationskolben mindestens eine Lagerstelle vorgesehen ist. Auf diese Weise kann zusätzlich die Belastung beziehungsweise Durchbiegung der Welle verringert werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Es zeigen:
1a eine Aufladeeinrichtung mit zwei Rotationskolbenmaschinen, wobei eine der Rotationskolbenmaschinen als Verdichter und eine weitere als Expander dient, und wobei der Verdichter vordergründig dargestellt ist,
1b die bekannte Aufladeeinrichtung, wobei der Expander vordergründig gezeigt ist,
2 eine Darstellung zur Verdeutlichung der Erzeugung einer Hüllfigur einer Kammer der Rotationskolbenmaschine,
3a einen Bewegungsablauf der als Verdichter verwendeten Rotationskolbenmaschine der Aufladeeinrichtung, und
3b einen Bewegungsablauf der als Expander verwendeten Rotationskolbenmaschine.
Die 1a und 1b zeigen eine Aufladeeinrichtung 1, welche eine erste Rotationskolbenmaschine 2, eine zweite Rotationskolbenmaschine 3 und einen Lagerbereich 4 aufweist. Die Rotationskolbenmaschinen 2 und 3 weisen jeweils Gehäuse 5 und 6 auf, sowie Rotationskolben 7 und 8, welche exzentrisch auf einer gemeinsamen Welle 9 gelagert sind. Die 1a zeigt dabei eine Ansicht der Aufladeeinrichtung 1, in welcher die erste Rotationskolbenmaschine 2 vordergründig dargestellt ist, während in der 1b dieselbe Aufladeeinrichtung 1 gezeigt ist, wobei jedoch die zweite Rotationskolbenmaschine 3 vordergründig liegt.
Die Welle 9 weist im Bereich des ersten Rotationskolbens 7 sowie des zweiten Rotationskolbens 8 jeweils eine Außenzahnung 10 auf, welche jeweils mit einer Innenzahnung 11 der Rotationskolben 7 und 8 in Eingriff steht. Nicht dargestellt sind hier Einlass 12 und Auslass 13 der ersten Rotationskolbenmaschine 2 und Einlass 14 und Auslass 15 der zweiten Rotationskolbenmaschine 3.
Die Aufladeeinrichtung 1 ist also mit zwei Rotationskolbenmaschinen 2 und 3 realisiert. Alternativ ist theoretisch auch eine Lösung mit lediglich einer Rotationskolbenmaschine 2 denkbar. Diese weist in diesem Fall sowohl die Einlässe 12 und 14 als auch die Auslässe 13 und 15 auf. Die erste Rotationskolbenmaschine 2 wird in dem dargestellten Beispiel als Verdichter und die zweite Rotationskolbenmaschine 3 als Expander verwendet. Das bedeutet, dass unter Druck stehendes Fluid durch den Einlass 14 in die zweite Rotationskolbenmaschine 3 gelangt, in dieser entspannt wird und durch den Auslass 15 wieder aus der Aufladeeinrichtung 1 beziehungsweise der zweiten Rotationskolbenmaschine 3 herausgelangt. Durch das Expandieren beziehungsweise Entspannen des Fluids wird Energie frei, welche zum Antrieb der ersten Rotationskolbenmaschine 2 verwendet wird. Diese saugt durch den Einlass 12 ein weiteres Fluid, insbesondere Frischluft, an, verdichtet dieses und stößt es durch den Auslass 13 auf einem höheren Druckniveau wieder aus. Die Aufladeeinrichtung 1 kann insbesondere als Lader für einer Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzelle (beide nicht dargestellt) verwendet werden.
Der erste Rotationskolben ist in der Kammer 16 angeordnet, welche in dem ersten Gehäuse 5 ausgebildet ist, während der zweite Rotationskolben 8 sich in der Kammer 17 befindet, die in dem zweiten Gehäuse 6 vorliegt. Der erste Rotationskolben 7 trennt die Kammer 16 in eine erste Teilkammer 18 und eine zweite Teilkammer 19 auf, während der zweite Rotationskolben 8 die Kammer 17 in die erste Teilkammer 20 und die zweite Teilkammer 21 aufteilt. Beide Rotationskolbenmaschinen 2 und 3 realisieren 1:2-Rotationskolbenmaschinen. Das bedeutet, dass für eine Umdrehung des Rotationskolbens 7 beziehungsweise 8 zwei Umdrehungen der Welle 9 erforderlich sind.
In den Figuren 1a und 1b ist erkennbar, dass die Kammern 16 und 17 im Wesentlichen zylinderförmig sind. Eine Außenkontur 22 der Rotationskolben 7 und 8 entspricht – im Querschnitt gesehen – einer zweibogigen Hypotrochoide beziehungsweise einer zweibogigen verkürzten Hypozykloide. Diese zweibogige Hypotrochoide wird durch die Gleichungen x = A (cos(t) + k cos(t)) y = A (sin(t) – k sin(t)) beschrieben, wobei x und y Koordinaten auf der Hypotrochoide, t eine Laufvariabel, A die Größe und k die Bauchigkeit der Hypotrochoide bezeichnen. Für die Laufvariable t gilt 0 ≤ t < 2π. Für die abgebildeten Rotationskolben 7 und 8 wurde beispielhaft eine Bauchigkeit k = 0,3 gewählt. Für eine solche Geometrie ist es möglich, im Vergleich zum Stand der Technik relativ große Einlässe 12 und 14 beziehungsweise Auslässe 13 und 15 zu realisieren. Damit ist gewährleistet, dass ihre Querschnitte bezogen auf die durch die Aufladeeinrichtung 1 strömenden Fluidmassenströme ausreichend dimensioniert sind. Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Aufladeeinrichtungen muss analog zum Wankelmotor auf Dichtungen an Stirnseiten des Rotationskolbens zurückgegriffen werden. Daher müssen die dort vorgesehenen Ein- beziehungsweise Auslässe auf einer Umfangsfläche der Kammern vorgesehen werden, woraus sich aufgrund der erforderlichen Öffnungs- und Schließzeiten vergleichsweise kleine Ein-/Auslässe ergeben.
Eine Innenkontur 23 der Kammern 16 und 17 kann beispielsweise erzeugt werden, indem die Rotationskolben 7 und 8 auf der Welle 9 rotieren. Auf diese Weise ergibt sich die Innenkontur 23 als Hüllfigur 24 der Rotationskolben 7 beziehungsweise 8. Diese weist einen nach innen ragende Spitze 25 auf, die stets mit der Außenkontur 22 der Rotationskolben 7 beziehungsweise 8 in Berührkontakt steht.
Die 2 zeigt die Vorgehensweise bei der Erzeugung der Innenkontur 23 anhand der Kammer 16 der ersten Rotationskolbenmaschine 2. Erkennbar ist in dieser Schnittdarstellung, dass der erste Rotationskolben 7 exzentrisch um die Welle 9 gelagert ist. Dabei weist der erste Rotationskolben 7 eine Innenzahnung 11 in einer Ausnehmung 26 mit kreisrundem Querschnitt auf, wobei diese Ausnehmung einen doppelt so großen Durchmesser hat, wie die Welle 9. Vereinfachend kann die Welle 9 durch einen kleinen Kreis 27 und die Ausnehmung 26 durch einen großen Kreis 28 dargestellt werden. Mittels einer Abrollbewegung des großen Kreises 28 auf dem kleinen Kreis 27 entsteht die Hüllfigur 24, welche die Innenkontur 23 der Kammer 16 definiert. Der Rotationskolben 7 legt dabei innerhalb der Kammer 16 eine vollständige Umdrehung zurück. Der große Kreis 28 ist dabei fest mit dem Rotationskolben 7 verbunden und bewegt diesen sozusagen mit. Für verschiedene Stationen des Rotationskolbens 7 beziehungsweise des kleinen Kreises 27 bezüglich des großen Kreises 28 ergeben die sich in 2 dargestellten Positionen und somit nach und nach die Hüllfigur 24. Dabei ist stets das eine Ende des Rotationskolbens 7 mit „A” und das andere mit „B” bezeichnet, um eine bessere Orientierung zu ermöglichen.
Die 3a und 3b verdeutlichen den Ablauf der Aufladeeinrichtung 1, wobei die 3a die verschiedenen Zustände der ersten Rotationskolbenmaschine 2 und die 3b die verschiedenen Zustände der zweiten Rotationsmaschine 3 zeigt, die mit der ersten Rotationsmaschine 2 über die gemeinsame Welle 9 verbunden ist. Zur besseren Orientierung sind auch hier die Rotationskolben beziehungsweise 8 jeweils an ihren Enden mit „A” und „B” bezeichnet. Angedeutet sind hier für die erste Rotationskolbenmaschine 2 der Einlass 12 sowie der Auslass 13 und für die zweite Rotationskolbenmaschine 3 der Einlass 14 und der Auslass 15. Die Drehrichtung der Welle 9 ist durch den Pfeil 29 und die Drehrichtung der Rotationskolben 7 und 8 durch die Pfeile 30 angedeutet. Wie bereits vorstehend angedeutet, dient die erste Rotationskolbenmaschine 2 als Verdichter, während die zweite Rotationskolbenmaschine 3 als Expander arbeitet. Durch den Einlass 14 strömt also unter Druck stehendes Fluid in die erste Teilkammer 20 ein und versetzt den Rotationskolben 8 in Drehbewegung. Dieser liegt mit seinen Enden „A” und „B” an der Innenkontur 23 der Kammer 17 an. Daher versetzt er die Welle 9 in Drehbewegung und treibt damit die erste Rotationskolbenmaschine 2 an. Im weiteren Verlauf ist in 3b erkennbar, dass die erste Teilkammer 20 an Volumen gewinnt, bis eine Stellung des Rotationskolbens 8 erreicht ist, ab welcher ein Ausstoßen des Fluids aus dem Auslass 15 erfolgt. Zu diesem Zeitpunkt hat das Fluid die in ihm gespeicherte Energie abgegeben und wird durch den Auslass 15 aus der Kammer 17 ausgeschoben.
Durch das Antreiben der Welle 9 durch die zweite Rotationskolbenmaschine 3 wird der Rotationskolben 7 der ersten Rotationskolbenmaschine 2 in Bewegung gesetzt. In dem links oben dargestellten Zustand in der 3a umfasst die erste Teilkammer 18 lediglich ein geringes Volumen. Durch die Drehbewegung des Rotationskolbens 7 vergrößert sich dieses Volumen, wie in den nachfolgenden Schritten dargestellt. Dabei wird Fluid durch den Einlass 12 angesaugt. Ab dem links unten dargestellten Zustand steht die erste Teilkammer 18 nicht mehr in Fluidkontakt mit dem Einlass 12. Ebenso ist erkennbar, dass sich nachfolgend dieses Zustands das Volumen der ersten Teilkammer 18 verringert. Das darin befindliche Fluid wird somit komprimiert. Das komprimierte Fluid kann durch den Auslass 13 aus der Aufladeeinrichtung 1 herausgelangen. Dabei kann in dem Auslass 13 beispielsweise ein Auslassventil (nicht dargestellt) vorgesehen sein, welches erst bei Erreichen eines bestimmten Drucks in der ersten Teilkammer 18 öffnet. Aus den 3a und 3b wird deutlich, dass die Einlässe 12 und 14 und die Auslässe 13 und 15 an einer Umfangsfläche 31 der Kammern 16 und 17 angeordnet sind, wobei die Umfangsfläche 31 der Innenkontur 23 folgt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006030796 A1 [0003, 0006]
- DE 2242247 [0004]
- DE 2060067 [0004]

Claims

Rotationskolbenmaschine (2, 3) mit einem Gehäuse (5, 6), das eine Kammer (16, 17) aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben (7, 8) exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer (16, 17) in eine erste Teilkammer (18, 20) und eine zweite Teilkammer (19, 21) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (22) des Rotationskolbens (7, 8) – im Querschnitt gesehen – eine zweibogige Hypotrochoide ist.
Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweibogige Hypotrochoide durch die Gleichungen x = A (cos(t) + k cos(t)) y = A (sin(t) – k sin(t)) beschrieben ist, wobei x und y Koordinaten auf der Hypotrochoide, t eine Laufvariable, A die Größe und k die Bauchigkeit der Hypotrochoide bezeichnen, und wobei 0 ≤ t < 2π gilt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Bauchigkeit 0 < k < 1, vorzugsweise 0,2 ≤ k ≤ 0,4, besonders bevorzugt k = 0,3, gilt.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkontur (23) der Kammer (16, 17) – im Querschnitt gesehen – einer Hüllfigur (24) des Rotationskolbens (7, 8) entspricht.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hüllfigur (24) eine nach innen weisende Spitze (25) aufweist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlass (12, 14) der ersten Teilkammer (18, 20) und ein Auslass (13, 15) der zweiten Teilkammer (19, 21) oder der Einlass (12, 14) der zweiten Teilkammer (19, 21) und der Auslass (13, 15) der ersten Teilkammer (18, 20) zugeordnet sind.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (12, 14) mindestens ein Einlassventil und/oder der Auslass (13, 15) mindestens ein Auslassventil aufweist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammer (16, 17) im Wesentlichen zylindrisch ist.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (13, 14) und/oder der Auslass (13, 15) an einer Umfangsfläche (30) der Kammer (16, 17) angeordnet sind.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verwendung als Kompressor, Vakuumerzeuger oder Pumpe, insbesondere für Gase oder Flüssigkeiten, oder zur Erzeugung von mechanischer Energie aus Überdruck aufweisenden Gasen oder Flüssigkeiten.
Rotationskolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Dichtung, welche zwischen einer Wand der Kammer (16, 17) und dem Rotationskolben (7, 8) vorgesehen ist, um die Teilkammern (18, 19, 20, 21) gegeneinander abzudichten.
Aufladeeinrichtung (1), insbesondere für eine Brennkraftmaschine oder eine Brennstoffzellenanordnung, mit mindestens einer Rotationskolbenmaschine (2, 3), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotationskolbenmaschine (2, 3) über ein Gehäuse (5, 6) verfügt, das eine Kammer (16, 17) aufweist, in welcher mindestens ein Rotationskolben (7, 8) exzentrisch drehbar gelagert ist, der die Kammer (16, 17) in eine erste Teilkammer (18, 20) und eine zweite Teilkammer (19, 21) aufteilt, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur (22) des Rotationskolbens (7, 8) – im Querschnitt gesehen – eine zweibogige Hypotrochoide ist.
Aufladeeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine Rotationskolbenmaschine (2, 3) vorgesehen ist, wobei die erste Teilkammer (18) als Expander und die zweite Teilkammer (19) als Verdichter dient.
Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rotationskolben (7, 8) über eine gemeinsame Welle (9) miteinander wirkverbunden sind, wobei einer der Rotationskolben (7, 8) einem Verdichter und ein weiterer einem Expander zugeordnet ist.
Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotationskolbenmaschine (2, 3) als Expander oder Ver dichter vorgesehen ist und über die Welle (9) mit einem Verdichter beziehungsweise Expander anderer Bauart wirkverbunden ist.
Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Rotationskolben (7, 8) so auf der Welle (9) angeordnet sind, dass sich ihre Schwerpunkte gegenüberliegen und/oder denselben Abstand zu der Welle aufweisen.
Aufladeeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rotationskolben (7, 8) mindestens eine Lagerstelle vorgesehen ist.