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Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse, einer abgeschlossenen Kammer in dem Gehäuse und zwei Kolben in der Kammer, wobei die Kolben in dem Gehäuse um zwei parallele Kolbenachsen gegensinnig rotierbar gelagert sind, in einem Querschnitt senkrecht zu den Kolbenachsen ein Dichtsegment aufweisen mit einem Dichtradius, das mit einer Dichtfläche der Kammer dicht abschließt, in dem Querschnitt ein Wirksegment aufweisen und einen Wirkradius, der einer Differenz aus einem Abstand der Kolbenachsen und dem Dichtradius entspricht, bei jedem Umlauf um die Kolbenachsen abwechselnd mit dem Dichtsegment die Dichtfläche überstreichen und zwischen dem Wirksegment und dem Gehäuse einen transienten Wirkraum ausbilden, und mit einem Einlass für ein Medium in den Wirkraum und einem Auslass für das Medium aus dem Wirkraum durch das Gehäuse, wobei der Wirkraum an dem Einlass entsteht und an dem Auslass vergeht.
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Drehkolbenmaschinen benötigen keine bewegten Ventile, keine Lagerungen von Kurbelwellen, Pleuelstangen und Zylinderbolzen und keine Nockenwellen für einen Ventiltrieb nebst Kopplungssträngen. Der Querschnitt eines Kolbens einer solchen Drehkolbenmaschine besteht aus Segmenten mit dem Dichtradius („Dichtsegmente“) und mit kleinerem Radius („Wirksegmente“).
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Eine solche Drehkolbenmaschine ist als „Roots-Gebläse“ beispielsweise aus
DE 197 11 172 A1 bekannt, weist zwei identische, im Querschnitt zu zwei aufeinander senkrechten Achsen symmetrische Kolben mit je zwei einander gegenüberliegenden Dichtsegmenten und dazwischen angeordneten Wirksegmenten auf, die bei jedem Umlauf je Kolben mit dem Gehäuse zwei Wirkräume ausbilden. Die bekannte Drehkolbenmaschine weist durch Strömungsverluste zwischen den Wirkräumen am Ein- und Auslass nur einen geringen Wirkungsgrad auf.
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Im Hintergrund der Erfindung offenbart
US 2021/0040885 A1 unter anderem eine Drehkolbenmaschine mit zwei Kolben, von denen einer an einem Nocken ein Dichtsegment mit einem größeren Dichtradius aufweist und über einen verbleibenden Wirkwinkel von etwa 350° in einem Wirksegment mit dem Gehäuse einen Wirkraum ausbildet, in dem beide mit dem Wirkradius aufeinander abrollen.
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Aufgabe
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wirkungsgrad zu steigern.
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Lösung
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Ausgehend von den bekannten Drehkolbenmaschine wird nach der Erfindung vorgeschlagen, dass das Wirksegment in dem Querschnitt einen Wirkwinkel zwischen 180 und 220° umfasst. Die beiden pilzförmigen Kolben der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine weisen wie der erste Kolben aus
US 2021/0040885 A1 nur je ein Dicht- und ein Wirksegment auf und bilden bei jedem Umlauf mit dem Gehäuse nur je einen Wirkraum aus, aber die Strömungsverluste zwischen den Wirkräumen der beiden Kolben sind auf ein Minimum reduziert. Gegenüber dem Roots-Gebläse weist die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine daher einen signifikant höheren Wirkungsgrad auf.
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Vorzugsweise sind in einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine die Kolben in dem Querschnitt spiegelsymmetrisch aufgebaut. In einer solchen erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine verlaufen die Volumina der transienten Wirkräume über der Zeit gleichfalls symmetrisch und können mit denselben Randbedingungen bezüglich Druck und Massenströmen betrieben werden.
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Vorzugsweise gleiten in einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine die Kolben in dem Querschnitt dicht aufeinander. In einer solchen erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine treten (wie im Roots-Gebläse) im Kontakt zwischen den beiden Kolben auch an den Flanken zwischen Dicht- und Wirkradius keine Strömungsverluste auf. Eine alternativ einfacher konstruierte erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann nicht aufeinander dicht gleitende Flanken aufweisen.
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Vorzugsweise weist eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine einen Dichtwinkel von 180° auf, wobei die Dichtsegmente einen Unterschnitt aufweisen. Die hakenförmig einander untergreifenden Flanken einer solchen Drehkolbenmaschine vermeiden einerseits jede Verbindung und damit jeden Strömungsverlust zwischen den Wirkräumen der beiden Kolben.
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Darüber hinaus bildet sich in einer solchen erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine bereits vor Entstehen des Wirkraums zwischen Kolben und Gehäuse ein Hohlraum zwischen Flanke und Dichtsegment des Gegenkolbens, der bei Verwendung als Verbrennungsmaschine ein zündfähiges Gemisch ansaugen kann. Der Wirkraum steht dann von Beginn an für die Verbrennung und damit für den Antrieb zur Verfügung.
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Vorzugsweise sind in einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschinen die Kolben und das Gehäuse in Richtung der Kolbenachsen geradzylindrisch. Das Gehäuse kann dann besonders einfach durch Deckplatten geschlossen werden. In einer alternativen erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine kann sich die Querschnittsfläche der Kolben entlang der Kolbenachsen ändern, beispielsweise in Form einer Sinuskurve. In einer solchen Drehkolbenmaschine kann das Gehäuse aus zwei entsprechenden Halbschalen zusammengesetzt werden.
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Vorzugsweise ist in einer Drehkolbenvorrichtung eine Mehrzahl identischer erfindungsgemäßer Drehkolbenmaschinen kombiniert. Eine solche erfindungsgemäße Drehkolbenvorrichtung addiert die Leistung der Drehkolbenmaschinen.
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Vorzugsweise weisen in einer solche Drehkolbenvorrichtung die Drehkolbenmaschinen dieselben Kolbenachsen auf. Eine solche erfindungsgemäße Drehkolbenvorrichtung benötigt kein zusätzliches Getriebe, um die Leistung der Drehkolbenmaschinen zu addieren. Alternativ kann eine erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit verschiedenen Kolbenachsen ein vorzugsweise schaltbares Getriebe zwischen den Drehkolbenmaschinen aufweisen. Die alternative Drehkolbenmaschine weist dann ein anderes, insbesondere auch nach Bedarf schaltbares Leistungsspektrum auf.
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Vorzugsweise sind in einer solchen erfindungsgemäßen Drehkolbenvorrichtung die Kolben derselben Kolbenachse um einen der Anzahl der Drehkolbenmaschinen entsprechenden Bruchteil des Vollwinkels gegeneinander versetzt an der Kolbenachse angeordnet. Eine solche erfindungsgemäße Drehkolbenvorrichtung zeichnet sich durch eine höhere Laufruhe aus.
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Vorzugsweise saugt im Betrieb einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine der entstehende Wirkraum durch Unterdruck das Medium aus dem Einlass an. In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren kann die Drehkolbenmaschine als an den Kolbenachsen angetriebene Pumpe das Medium zum Auslass befördern, oder als Motor mit einem zündfähigen Medium einen Abtrieb an den Kolbenachsen antreiben.
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Vorzugsweise treibt im Betrieb einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine das Medium durch Überdruck eine Ausdehnung des Wirkraums an und entweicht entspannt aus dem Auslass. In einem solchen erfindungsgemäßen Verfahren kann die Drehkolbenmaschine als Motor den Überdruck aus einem Druckluftreservoir oder aus einem zündfähigen Medium nutzen.
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Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen
- 1a-f Querschnitte einer ersten erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine,
- 2a-e Querschnitte einer zweiten erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine,
- 3a-e Querschnitte einer dritten erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine,
- 4a ein Detail einer Deckplatte der dritten Drehkolbenmaschine,
- 4b einen Kolben der dritten Drehkolbenmaschine und
- 4c ein Detail der 20°-Stellung der dritten Drehkolbenmaschine.
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Die in 1a im Querschnitt gezeigte erste erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine 1 weist ein Gehäuse 2 mit einer abgeschlossenen Kammer 3, einem Einlass 4 oben in die Kammer 3, einem Auslass 5 unten aus der Kammer 3 und zwei identischen, geradzylindrischen Kolben 6 auf.
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Jeder Kolben 6 ist in dem Gehäuse 2 jeweils um eine von zwei parallel verlaufenden Kolbenachsen 7 gegensinnig rotierbar gelagert und besteht in dem dargestellten, senkrecht zu den Kolbenachsen 7 gelegten Querschnitt spiegelsymmetrisch zu einer entlang der Kolbenachse 7 verlaufenden Symmetriefläche 8 aus einem Dichtsegment 9 und einem Wirksegment 10. Die Rotation der Kolben 6 ist durch zwei nicht dargestellte, mit den Kolben 6 auf den Kolbenachsen 7 verbundene identische Zahnräder synchronisiert. In Richtung der Kolbenachsen 7 ober- und unterhalb der Kolben 6 ist das Gehäuse 2 und die Kammer 3 in dem Gehäuse 2 durch nicht dargestellte ebene Deckplatten geschlossen.
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Das Dichtsegment 9 weist einen Dichtradius 11 derart auf, dass es mit einer Dichtfläche 12 der Kammer 3 dichtend abschließt. Der technisch notwendige Umfangsspalt 13 zwischen den Dichtsegmenten 9 und der Dichtfläche 12 ist in den Figuren unmaßstäblich vergrößert dargestellt.
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Das Wirksegment 10 weist einen Wirkwinkel 14 von etwa 185° und einen inneren Bereich 15 mit einem Wirkradius 16 auf, der einer Differenz aus einem Abstand 17 der Kolbenachsen 7 und dem Dichtradius 11 entspricht. Das Dichtsegment 9 jedes Kolben 6 dichtet so gleitend auf dem inneren Bereich 15 des jeweils anderen Kolben 6.
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Zwischen dem Dichtsegment 9 und dem Wirksegment 10 weist jeder Kolben 6 zwei gerade, radial verlaufende Flanken 18 auf, die in der hier dargestellten 0°-Stellung einen Flankenspalt 19 von etwa 5° einschließen. In dieser Stellung weist die erste Drehkolbenmaschine 1 eine geringfügige Undichtigkeit zwischen von dem Einlass 4 zwischen den Kolben 6 hindurch zu dem Auslass 5 auf.
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Im Betrieb der ersten Drehkolbenmaschine 1 ausgehend von der 0°-Stellung gleiten die Kolben 6 dicht aufeinander, der Flankenspalt 19 vermeidet eine Kollision der Kolben 6. 1b zeigt hierzu beispielhaft die 30°-Stellung.
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In der in 1c gezeigten 40°-Stellung schließt das rechte Dichtsegment 9 den links entstehenden Wirkraum 20 dicht ab. In diesem Moment wird ein Medium durch den Einlass 4 in den Wirkraum 20 eingelassen. Bis zu der in 1d gezeigten 220°-Stellung - also über einen Arbeitswinkel von 180° - wächst der linke Wirkraum 20 bis zu seiner größten Ausdehnung an.
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Beginnend in der in 1e dargestellten 330°-Stellung treibt der bis zu der 145°-Stellung gemäß 1f vergehende linke Wirkraum 20 das Medium durch den Auslass 5 aus. Im rechten Wirkraum 21 läuft der Prozess entsprechend mit einem Versatz von 180°.
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Die erste Drehkolbenmaschine 1 kann mit einem nicht dargestellten externen Antrieb der Kolben 6 als Pumpe für ein flüssiges oder gasförmiges Medium betrieben werden, das durch den Einlass 4 angesaugt und mit höherem Druck durch den Auslass 5 ausgetrieben wird.
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Alternativ kann die erste Drehkolbenmaschine 1 mit einem am Einlass 4 unter Druck stehenden flüssigen oder gasförmigen Medium als Motor betrieben werden, der einen nicht dargestellten Abtrieb der Kolben 6 antreibt.
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Weiter alternativ kann die erste Drehkolbenmaschine 1 mit einem am Einlass 4 eingefüllten zündfähigen Medium als Verbrennungsmotor betrieben werden, das nach anschließender Zündung die Ausdehnung des Wirkraums 20, 21 antreibt. Das Medium kann hierbei von dem entstehenden Wirkraum 20, 21 angesaugt oder aktiv eingespritzt werden.
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Die in 2a dargestellte zweite erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine 22 entspricht bis auf die im Folgenden genannten Abweichungen der ersten Drehkolbenmaschine 1: Die Kolben 23 der zweiten Drehkolbenmaschine 22 sind nicht in sich spiegelsymmetrisch, sondern zueinander spiegelsymmetrisch aufgebaut. Weiterhin weisen die Kolben 23 der zweiten Drehkolbenmaschine 22 einen Wirkwinkel 24 von 212° auf: Die Flanken 25 sind asymmetrisch derart konstruiert, dass sie ausgehend von hier gezeigten 0°-Stellung aufeinander dicht gleiten.
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In der in 2b gezeigten 65°-Stellung schließt der rechte Kolben 23 mit dem Gehäuse 26 dicht ab, der links entstehende Wirkraum 27 kann durch den Einlass 28 befüllt werden und dehnt sich über einen Arbeitswinkel von 175° bis zu seiner größten Ausdehnung in der in 2c gezeigten 240°-Stellung aus.
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Ausgehend von der in 2d gezeigten 310°-Stellung bis zu der in 2e gezeigten 105°-Stellung vergeht der linke Wirkraum 27 und treibt das Medium durch den Auslass 29 aus.
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Eine nicht dargestellte weitere erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine unterscheidet sich von der zweiten erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine 22 durch weiter derart abgeflachte Flanken 25, dass der Wirkwinkel 220° beträgt. Aufgrund des mit ansteigendem Wirkwinkel 24 sinkenden Arbeitswinkels und damit des Wirkungsgrads der Drehkolbenmaschine 22 erscheint eine weitere Erhöhung des Wirkwirkels nicht zielführend.
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Die in 3a dargestellte dritte erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine 30 entspricht wieder bis auf die im Folgenden genannten Abweichungen der ersten Drehkolbenmaschine 1: Das Gehäuse weist zwei Einlässe 31 jeweils am Wirkradius 32 der Kolben 33 auf. Weiterhin weisen die Kolben 33 der dritten Drehkolbenmaschine 30 einen Wirkwinkel 34 von 180° auf:
- Die hakenförmigen Flanken 35 sind symmetrisch mit Unterschnitt derart konstruiert, dass sie aufeinander dicht gleiten. Ausgehend von der hier gezeigten 0°-Stellung entsteht daher ein dicht abgeschlossener Wirkraum 36 schon zwischen dem Wirksegment 37 des einen und dem Dichtsegment 38 des anderen Kolbens 33.
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Bereits in der in 3b gezeigten 20°-Stellung wird ein zündfähiges Medium in den Wirkraum 36 eingespritzt und in der in 3c gezeigten 40°-Stellung gezündet, treibt über einen Arbeitswinkel von 280° die Ausdehnung des Wirkraums 36 bis zu seinem Maximum in der in 3d gezeigten 320°-Stellung und wird bis zu der in 3e gezeigten 140°-Stellung durch den Auslass 39 ausgetrieben.
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Eine der Deckplatten der dritten Drehkolbenmaschine 30 weist die in 4a dargestellten Einlässe 31, den Auslass 39 und eine Öffnung 40 für eine nicht dargestellte Zündvorrichtung auf. Die Kolben 33 weisen unmittelbar im Anschluss an die in Drehrichtung 41 führende Flanke 35 einen in 4b dargestellten keilförmigen Einschnitt 42 in das Wirksegment 37 auf. Dieser Einschnitt 42 überstreicht wie in 4c dargestellt in der 20°-Stellung den Einlass 31 und öffnet diesen vorübergehend in den entstehenden Wirkraum 36, so dass das zündfähige Medium einströmen kann.
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Je Arbeitstakt der dritten Drehkolbenmaschine 30 steht für die Verbrennung an jedem Kolben 33 ein über einen Arbeitswinkel von 180° (also 50 % des Zyklus gegenüber etwa 25 % bei einem herkömmlichen 4-Takt-Hubkolbenmotor) im Volumen anwachsender Wirkraum 36 zur Verfügung. Bis zum Erreichen des Auslasses 39 verbleibt ein weiterer Arbeitswinkel von 100°, über den das Medium in dem Wirkraum 36 bei konstantem Volumen weitgehend vollständig verbrennt, so dass die Umwelt nicht mit unvollständig verbrannten Resten belastet wird.
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In den Figuren sind
- 1
- Drehkolbenmaschine
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kammer
- 4
- Einlass
- 5
- Auslass
- 6
- Kolben
- 7
- Kolbenachse
- 8
- Symmetriefläche
- 9
- Dichtsegment
- 10
- Wirksegment
- 11
- Dichtradius
- 12
- Dichtfläche
- 13
- Umfangsspalt
- 14
- Wirkwinkel
- 15
- Bereich
- 16
- Wirkradius
- 17
- Abstand
- 18
- Flanke
- 19
- Flankenspalt
- 20
- linker Wirkraum
- 21
- rechter Wirkraum
- 22
- Drehkolbenmaschine
- 23
- Kolben
- 24
- Wirkwinkel
- 25
- Flanke
- 26
- Gehäuse
- 27
- Wirkraum
- 28
- Einlass
- 29
- Auslass
- 30
- Drehkolbenmaschine
- 31
- Einlass
- 32
- Wirkradius
- 33
- Kolben
- 34
- Wirkwinkel
- 35
- Flanke
- 36
- Wirkraum
- 37
- Wirksegment
- 38
- Dichtsegment
- 39
- Auslass
- 40
- Öffnung
- 41
- Drehrichtung
- 42
- Einschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19711172 A1 [0003]
- US 20210040885 A1 [0004, 0006]
