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Die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben besteht aus einem Gehäuse, in dem eine drehbar gelagerte Nabe auf einer Welle angeordnet ist und durch das Gehäuse und die Nabe ein ringförmiger Arbeitsraum gebildet wird. Im ringförmig angeordneten Arbeitsraum ist ein mit der Nabe und Welle verbundener Rotationskolben beweglich angeordnet. Weiterhin ist ein Trennelement im Gehäuse angeordnet, das so beweglich ist, dass es den Arbeitsraum trennt bzw. freigibt. Das beispielsweise zylindrisch ausgeführte Trennelement rotiert synchron mit dem Rotationskolben um eine zur Rotationskolbenachse parallelen Achse, so dass der Zylinder des Trennelementes den ringförmigen Arbeitsraum sperrt. Im Trennelement ist ein Ausschnitt vorgesehen, der dazu dient, dass der Rotationskolben das Trennelement passieren kann. Wenn der um die Welle rotierende Kolben in den Bereich des Trennelementes kommt, gibt das Trennelement durch den Ausschnitt den Arbeitsraum frei, so dass der Rotationskolben passieren kann. Danach schließt es den Arbeitsraum wieder. Im Gehäuse sind in Drehrichtung jeweils vor oder nach dem Trennelement Kanäle angeordnet. Für die Realisierung des Einlasses bzw. Auslasses bestehen zwei Möglichkeiten. Einmal können im Stator vor bzw. nach dem Trennelement Kanäle angeordnet sein. Ein Kanal nach dem Trennelement kann als Einlass für die Verbrennungsgase und ein Kanal vor dem Trennelement als Auslass vorgesehen sein. Sie sind in der Regel ventil- bzw. klappengesteuert. Durch die Erfindung wird eine weitere Verbindung zum Arbeitsraum, die als Einlass oder Auslass genutzt wird, geschaffen. Dieser Einlass bzw. Auslass besteht in einer Öffnung im Stator im Kontaktbereich mit der Nabe des Rotationskolbens.
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Diese Öffnung wird durch die Drehung der Nabe verschlossen bzw. geöffnet. Eine Verbindung zum Arbeitsraum besteht, wenn sich die Öffnung und eine Aussparung in der Nabe gegenüberliegen, so dass beispielsweise das Arbeitsmedium von der Öffnung über die Aussparung in einen Arbeitsraum eintreten kann. Durch Weiterdrehen der Nabe wird die Öffnung wieder verschlossen. So kann eine Einlasssteuerung und/oder eine Auslasssteuerung und damit auch eine Steuerung der Kraft- und Arbeitsmaschine erfolgen.
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Rotationskolbenmaschinen sind in unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Kraft- und Arbeitsmaschinen mit Rotationskolben können als 2- oder 4-Takt- Brennkraftmaschine bzw. als Wärmekraftmaschine, als Druckluftmotor oder im Umkehrprinzip als Verdichter bzw. Pumpe arbeiten. So ist eine Rotationskolbenmaschine aus der
EP 602272 B1 bekannt, bei der eine Nabe mit zwei Rotationskolben rotiert. Ein dazu synchron rotierendes zylindrisches Trennelement ist mit entsprechend gestalteten Aussparungen für die Passage der Kolben vorgesehen. Das Dokument
FR 2449786 A1 zeigt bezüglich Kolben und Trennelement einen vergleichbaren Aufbau wie die Schrift
EP 0602272 B1 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Rotationskolbenmaschine zu schaffen. Insbesondere soll der Einlass und Auslass der Arbeitsmedien in den Arbeitsraum vereinfacht und verbessert werden.
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Die Erfindungsaufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben besteht aus einem Gehäuse, in dem eine drehbar gelagerte Welle mit Nabe und Rotationskolben angeordnet ist. Der Raum zwischen Gehäuse und Nabe bildet einen ringförmigen Arbeitsraum, in dem der Rotationskolben auf der Nabe rotiert. Weiterhin ist an einer Stelle im Arbeitsraum ein Trennelement angeordnet, das so beweglich ist, dass es den Arbeitsraum trennt bzw. zur Passage des Kolbens diesen freigibt. Das beispielsweise zylindrisch ausgeführte Trennelement rotiert synchron mit dem Rotationskolben um eine zur Rotationskolbenachse parallelen Achse, so dass der Zylinder des Trennelementes den ringförmigen Arbeitsraum sperrt. Im Zylinder des Trennelementes ist ein Ausschnitt vorgesehen, der dazu dient, dass der Rotationskolben das Trennelement passieren kann. Wenn der mit der Nabe rotierende Kolben in den Bereich des Trennelementes kommt, gibt das Trennelement durch den Ausschnitt den Arbeitsraum frei, so dass der Rotationskolben passieren kann. Danach schließt es den ringförmigen Arbeitsraum wieder.
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Für den Einlass bzw. Auslass des Arbeitsmediums bzw. des Verbrennungsgasgemisches bestehen zwei Realisierungsmöglichkeiten. Einmal können im Stator vor bzw. nach dem Trennelement Kanäle angeordnet sein. Ein Kanal nach dem Trennelement kann als Einlass für die Verbrennungsgase und ein Kanal vor dem Trennelement als Auslass vorgesehen sein. Sie sind in der Regel ventil- bzw. klappengesteuert. Durch die Erfindung wird eine weitere Verbindung zum Arbeitsraum realisisert, die als Einlass und/oder Auslass genutzt wird. Dieser Einlass bzw. Auslass besteht in einer Öffnung im Stator im Kontaktbereich mit der Nabe des Rotationskolbens. Diese Öffnung wird durch die Nabe verschlossen. Eine Verbindung zum Arbeitsraum besteht, wenn sich die Öffnung im Stator und eine Aussparung in der Nabe gegenüberliegen, so dass beispielsweise das Arbeitsmedium von der Öffnung über die Aussparung in einen Arbeitsraum eintreten kann. Durch Weiterdrehen der Nabe wird die Öffnung wieder verschlossen. So können die Einlasssteuerung und/oder eine Auslasssteuerung und damit auch eine Steuerung der Kraft- und Arbeitsmaschine erfolgen.
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Durch die Zuführung bzw. Abführung des Arbeitsmediums über die Aussparung in der Nabe kann die Baugröße der Maschine durch die entfallende äußere Ventilanordnung und Ventilsteuerung verringert werden. Die Maschine wird dadurch kompakter. Die Steuerung von Einlass bzw. Auslass ist in die bestehenden Bauteile integriert. Es werden keine zusätzlichen Maschinenteile benötigt. Dadurch wird der Motor auch leichter.
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Der Querschnitt für den Einlass bzw. Auslass kann bei gleicher Motorbaugröße vergrößert werden. Damit verringern sich die Druckverluste entsprechend. Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 2 ist eine Aussparung unmittelbar vor dem Rotationskolben angeordnet. Dadurch werden die Kolbenfläche und somit auch das Drehmoment der Maschine vergrößert.
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Mit der Weiterbildung nach Anspruch 3 sind die Öffnung im Stator und die Aussparung in der Nabe beidseitig angeordnet. Durch die beidseitigen Öffnungen im Stator kann eine Öffnung für den Einlass und eine für den Auslass genutzt werden. Beide Öffnungen können in dieselbe Aussparung der Nabe münden. Damit wird weiterer Platzbedarf verringert und der Herstellungsaufwand für die Maschine minimiert. Bei der Ausführung als Verbrennungsmotor wird zugleich eine gute Verteilung des Verbrennungsgemisches erzielt.
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Die Weiterbildung nach Anspruch 4 sieht vor, dass die Öffnung(en) im Stator kreisringbogenförmig sind und die Länge und Lage der Öffnung die Öffnungsdauer von Einlass bzw. Auslass steuert. Durch die Größe, Länge und Anordnung der Öffnungen können die Einlass- bzw. Auslasszeitpunkte sowie die Einlass- bzw. Auslassdauer gesteuert werden. Damit ist eine Steuerung der Maschine einfach realisierbar. Durch die entsprechende Ausgestaltung kann die Maschine entsprechend als Verbrennungsmotor, Druckluftmotor oder Verdichter ausgeführt werden. Damit können die verschiedenen Maschinen für verschiedene Einsatzzwecke aus einem Basismodul hergestellt werden. So ist eine hohe Standardisierung und somit eine kostengünstige Herstellung der Maschine möglich.
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Gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 5 besteht die Aussparung in der Nabe aus einem kreisringbogenförmigen Abschnitt und einem zum Arbeitsraum geöffneten Abschnitt. Damit kann alternativ zur Lösung in Anspruch 4 durch Länge und Lage des kreisringbogenförmigen Abschnitts der Aussparung der Zeitpunkt und die Dauer der Öffnung von Einlass bzw. Auslass gesteuert werden. In diesem Fall korrespondiert der kreisringbogenförmige Abschnitt mit der Öffnung im Stator. Diese Öffnung kann dabei eine runde, eckige als auch eine kreisringbogenförmige Form aufweisen.
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Mit der Weiterbildung nach Anspruch 6 ist in der Öffnung oder der Aussparung ein steuerbares Ventil angeordnet. Ein Ventil in der Nabenaussparung kann durch am Stator angeordnete Steuertechnik, wie z.B. Nockengetriebe erfolgen. Ein Ventil in der Statoröffnung kann durch Steuernocken an der Nabe realisiert werden. Die Ventile können bei bestimmten Maschinenparametern (z.B. Druck, Temperatur) gegenüber einer Steuerung durch die Öffnungen und Aussparungen gemäß Anspruch 4 bzw. 5 von Vorteil sein. So kann die Dichtheit erhöht und der Öffnungszeitpunkt präziser eingestellt und vor allem einfacher variiert werden.
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Gemäß Weiterbildung nach Anspruch 7 sind mehrere Kraft- und/oder Arbeitsmaschinen mit einem rotierenden Trennelement gekoppelt und wirken so zusammen. Durch die Kopplung der Wellen der Maschinen wird ein gleichmäßiger Lauf ermöglicht. Die gemeinsame Nutzung des Trennelementes verringert Baugröße, Masse und entsprechend auch die Herstellungskosten.
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Gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 8 ist der ringförmige Arbeitsraum mit einem externen Verbrennungsraum gekoppelt. In den externen Verbrennungsraum wird das vorverdichtete Arbeitsmedium eingebracht und dort gezündet, so dass eine Verbrennung erfolgt, die zu einer Druckerhöhung führt. Die Verbrennungsgase expandieren im ringförmigen Verbrennungsraum und verrichten am Rotationskolben mechanische Arbeit.
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Bei der Weiterbildung nach Anspruch 9 ist eine als Verdichter ausgeführte Kraftmaschine mit einer als Verbrennungsmotor ausgeführten Arbeitsmaschine gekoppelt. Somit kann durch den Verdichter das Arbeitsmedium, in der Regel Luft, in dem Verbrennungsraum verdichtet werden, wo es anschließend zur Kraftstoffzuführung und Zündung kommt. Die Expansion und damit die Verrichtung von Arbeit am Kolben erfolgt in der Verbrennungs-Arbeitsmaschine. Verdichter und Verbrennungsmotor können dabei auf einer Welle angeordnet sein. Genauso können sie mit einem gemeinsamen Trennelement fungieren. Die Verbrennung kann im Ringraum der Arbeitsmaschine erfolgen oder wie in Anspruch 8 im extern angeordneten Verbrennungsraum.
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Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Längsschnitt,
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2 Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Querschnitt,
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3 Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Längsschnitt mit Variation der Aussparung
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4 modifizierte Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Längsschnitt,
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5 Kraft- und Arbeitsmaschine als Verbrennungsmotor im Längsschnitt und
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6 Ausschnitt einer Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Längsschnitt mit bogenförmigem Kolben.
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In 1 ist der prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Kraft- und Arbeitsmaschine 12 mit Rotationskolben 8 im Längsschnitt gezeigt.
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Die dargestellte Kraft- und Arbeitsmaschine 12 ist als Druckluftmotor bzw. als Verdichter und in Modifikation als Verbrennungsmotor einsetzbar. Die hier gezeigte Kraft- und Arbeitsmaschine 12 besteht aus zwei in einem Stator 4 nebeneinander angeordneten Modulen und entsprechend mit zwei Rotationskolben 8.
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Im Stator 4 sind die Wellen 17 drehbar gelagert. Die Rotationskolben 8 sind durch die Nabe 5 mit den Wellen 17 verbunden und können somit in dem durch das Gehäuse 4 umschlossenen ringförmigen Arbeitsraum 7 rotieren. Die Wellen 17 sind miteinander und mit der Welle 19 des Trennelementes 13 beispielsweise über ein Zahnradgetriebe (nicht dargestellt) gekoppelt. Durch die zeitliche Verschiebung der Arbeitsphasen der beiden Module ist ein gleichmäßiges Drehmoment realisierbar.
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Nachfolgend wird die Funktion als Druckluftmotor beschrieben. Im hier beschriebenen Beispiel erfolgt der gesteuerte Einlass 1 durch die Öffnung 3 im Stator 4 und die Aussparung 6 in der Nabe 5. Der Auslass erfolgt durch den Kanal 2. Die Druckluft tritt durch den hier jeweils in der Nabe 5 angeordnete Aussparung 6 in den ringförmigen Arbeitsraum 7 ein. Aus der Druckdifferenz zwischen Einlass 1 und Auslasskanal 2 resultiert, dass die Kolben 8 in der Darstellung jeweils im Uhrzeigersinn rotieren. Der Auslasskanal 2 ist in diesem Beispiel immer geöffnet.
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Der Einlass 1 der Druckluft ist gesteuert und immer dann möglich, wenn die Öffnung 3 im Stator 4, auf der gegenüberliegenden Seite, an der die Druckluftleitung angeschlossen ist, und die Aussparung 6 in der Nabe 5 den Weg für die Druckluft freigeben. Die Lage und Größe der kreisbogensektorförmigen Öffnung 3 bestimmt Zeitpunkt und Dauer der Druckluftzuführung in den Arbeitsraum 7. Um den Druckunterschied mittels des Kolbens 8 abarbeiten zu können, ist eine Trennung des Arbeitsraums erforderlich. Dazu dient ein um eine Welle 19 rotierendes Trennelement 13, das eine Aussparung 18 aufweist. Kolben 8 und Trennelement 13 rotieren synchron und ermöglichen so, dass der Kolben 8 in der Aussparung 18 das Tennelement 13 passiert. Während dieser Passage ist der Einlass 1 in jedem Falle geschlossen. Unmittelbar nach der Passage kann Druckluft in den Arbeitsraum 7 eintreten und am Kolben 8 Arbeit verrichten, die an der Welle 17 nutzbar ist. Durch die Anordnung der Aussparung 6 vor dem Rotationskolben 8 wird die Kolbenfläche vergrößert. Daraus ergibt sich ein größeres Drehmoment der Maschine.
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In 2 ist die Kraft- und Arbeitsmaschine 12 mit um eine Welle 17 rotierendem Rotationskolben 8 im Querschnitt durch die Nabe 5 gezeigt. Der Stator 4 umschließt die Nabe 5 mit dem Rotationskolben 8. Zwischen Nabe 5 und Stator 4 befindet sich der ringförmige Arbeitsraum 7. In der Nabe 5 ist eine Aussparung 6 vorgesehen, die zum Arbeitsraum 7 hin geöffnet ist. Damit ermöglicht die Aussparung 6 eine Druckluftzufuhr von der Öffnung 3 mit Druckluftanschluss im Stator 4 bei entsprechender Stellung der Nabe 5 in den Arbeitsraum 7. Somit geben Öffnung 3 und Aussparung 6 zusammen den Einlass bzw. Auslass 1 zum Arbeitsraum 7 frei.
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Die 3 zeigt ausgehend von 2 die Kraft- und Arbeitsmaschine 12 im Querschnitt mit verschiedenen Ausgestaltungen der Aussparung 6, 6.1 in der Nabe 5 und der Anordnung der Öffnungen 3, 3.1 im Gehäuse 4. So können Öffnungen 3, 3.1 und Aussparungen 6, 6.1 beidseitig angeordnet sein, um die Verteilung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 7 zu verbessern und die Strömungsverluste zu reduzieren. Die Aussparungen 6, 6.1 können in verschiedener Form in die Nabe 5 eingebracht sein. Durch eine weitere Öffnung 3.1, die am Umfang des Gehäuses 4 angebracht ist, kann beispielsweise der Auslass 1.2 realisiert werden. Der Durchlass der Aussparung 6.1 ist hier durch ein Ventil 11 bzw. eine Klappe 11 gesteuert. Die Aussparungen 6, 6.1 können, wie beispielhaft dargestellt, z.B. durch Vermeidung von scharfen Kanten entsprechend strömungsgünstig ausgeführt werden.
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4 zeigt einen aus 1 abgeleiteten Längsschnitt. Modifiziert ist hier der Einlass 1 auf der linken Seite. In der Aussparung 6.1 ist ein Ventil 11 bzw. eine Klappe 11 schematisch dargestellt. Dieses Ventil 11 bzw. die Klappe 11 werden beispielsweise durch am Gehäuse 4 angebrachte Nocken (nicht dargestellt) gesteuert. Gleichfalls kann die Steuerung auch elektrisch bzw. magnetisch erfolgen. Durch die Ventil- bzw. Klappensteuerung wird das nicht nutzbare Expansionsvolumen in der Aussparung 6.1 vom nutzbaren Expansionsvolumen abgetrennt und somit der Wirkungsgrad verbessert. Gleichfalls kann die Steuerung (Zeitpunkt und Dauer) der Öffnung des Einlasses 1 besser variiert werden. Auf der rechten Seite ist eine Aussparung 6.2 aus einem zum Arbeitsraum hin geöffneten Abschnitt 10 und einem kreisringbogenförmigen Abschnitt 9 dargestellt. Der kreisringbogenförmige Abschnitt 9 bestimmt durch Lage und Länge die Steuerung von Zeitpunkt und Dauer der Öffnung des Einlasses 1. Dafür kann die Öffnung 3.2 im Gehäuse 4 verkleinert werden, die in 1 diese Steuerungsfunktion übernimmt. Selbstverständlich können die in 3 und 4 gezeigten Modifikationen miteinander kombiniert werden, um die Kraft- und Arbeitsmaschine 12 für das jeweilige Einsatzgebiet als Druckluftmotor, Verdichter oder Verbrennungsmotor zu optimieren.
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In 5 ist eine als Verbrennungsmotor ausgeführte Kraft- und Arbeitsmaschine 12 dargestellt. Der Aufbau des Verbrennungsmotors basiert auf den in 1 und 4 gezeigten Schnittdarstellungen. Hier arbeitet der erste (linke) Maschinenteil als Verdichter 15. Durch den Einlass 1.1 wird Verbrennungsluft angesaugt und durch den Kolben 8.1 im ersten Arbeitsraum 7.1 verdichtet. Ein erstes Steuerventil 20 öffnet, so dass Luft in den Brennraum 14 hineinverdichtet wird. Das zweite Steuerventil 21 ist geschlossen. Nachfolgend schließt das erste Steuerventil 20 und es erfolgt die Zündung 22, wobei zeitgleich das zweite Steuerventil 21 öffnet, so dass die sich aus der Zündung 22 ergebende Expansion in den Arbeitsraum 7.2 des zweiten (rechten) Maschinenteils erfolgt. Dieser fungiert als Kraftmaschine 16, indem der Verbrennungsgasdruck eine Kraft auf den Kolben 8.2 ausübt und so in mechanische Arbeit gewandelt wird. Die mechanische Arbeit ist an der Welle 17 abgreifbar. Das zweite, rechte Maschinenteil ist hier so dargestellt, dass die Kolbenposition etwa dem Beginn des Arbeitstaktes, also dem Einströmen des Verbrennungsgases, entspricht. Die zweite Nabe 5.1 mit dem Kolben 8.2 bewegt sich weiter, bis sich Öffnung 3.3 im Stator, die den Auslass bildet, und die Aussparung 6.3 gegenüberliegen. Damit ist der Auslass 1.2 freigegeben und das Gas kann dem ringförmigen Arbeitsraum 7.2 entweichen.
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Eine andere Möglichkeit für den Auslass ist der Auslasskanal 2 im Stator 4, der hier ebenfalls dargestellt ist.
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6 zeigt einen Ausschnitt einer Kraft- und Arbeitsmaschine mit Rotationskolben im Längsschnitt wie in 1 dargestellt. Hierbei sind der Kolben 8 und die Aussparung in der Nabe 5 bogenförmig ausgeführt. Durch die Bogenform werden die Strömungsverhältnisse beim Einströmen des Gasstroms begünstigt, so dass die Verwirbelung reduziert und damit der Wirkungsgrad verbessert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einlass/ Auslass
- 1.1
- Einlass, Einlass im ersten (linken) Maschinenteil
- 1.2
- Auslass, Auslass im zweiten (rechten) Maschinenteil
- 2
- Kanal, Auslass-Kanal
- 3
- Öffnung, Druckluftanschluss
- 3.1
- Öffnung
- 3.2
- Öffnung
- 3.3
- Öffnung im rechten Maschinenteil
- 4
- Stator, Gehäuse
- 5
- Nabe
- 5.1
- zweite Nabe im rechten Maschinenteil
- 6
- Aussparung (in der Nabe)
- 6.1
- Aussparung
- 6.2
- Aussparung
- 6.3
- Aussparung im zweiten (rechten) Maschinenteil
- 7
- ringförmiger Arbeitsraum, Ringraum
- 7.1
- Arbeitsraum im ersten (linken) Maschinenteil
- 7.2
- Arbeitsraum im zweiten (rechten) Maschinenteil
- 8
- Rotationskolben, Kolben
- 8.1
- Rotationskolben im ersten (linken) Maschinenteil
- 8.2
- Rotationskolben im zweiten (rechten) Maschinenteil
- 9
- kreisringbogenförmigen Abschnitt der Aussparung
- 10
- zum Arbeitsraum geöffneter Abschnitt der Aussparung
- 11
- steuerbares Ventil, Klappe
- 12
- Kraft- bzw. Arbeitsmaschine
- 13
- Trennelement
- 14
- externer Verbrennungsraum
- 15
- Verdichter
- 16
- Verbrennungsmotor
- 17
- Welle
- 18
- Aussparung im Trennelement
- 19
- Welle des Trennelements
- 20
- erstes Steuerventil (zum Verbrennungsraum)
- 21
- zweites Steuerventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 602272 B1 [0003]
- FR 2449786 A1 [0003]
- EP 0602272 B1 [0003]
