DE19522846A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine. Der Gegenstand der Erfin­ dung kann in Klasse F01 C 1/00 Int. Cl.⁵ eingereiht werden.

Bekannte Kolbenmaschinen wirken auf Basis des Umwandelns einer Drehbewegung in eine geradlinige Hin- und Herbewegung oder umgekehrt. Die Richtung des sich geradlinig bewegenden Kolbens oder der Kolben wechselt beim Betrieb derartiger Maschine zyklisch, was sich in verhältnismäßig großen Geschwindigkeits- und Beschleunigungsänderungen abspiegelt. Die Folge derartiger ungleichmäßiger Be­ wegung des Kolbens/der Kolben sind verhältnismäßig große Kräfte und Momente, die an den Kolben/die Kolben und die Kolbenmaschine selbst angreifen.

Es wurden Versuche unternommen, die angeführten Probleme mittels eines neuen Aufbaus der Kolbenmaschine, insbesondere einer Rotationskolbenmaschine, d. h. einer Maschine mit einem rotierenden Kolben, zu lösen. Diesbezüglich ist der von F. Wankel entwickelte Kreiskolbenmotor bekannt, der als eine Epitrochoidenmaschine mit einem Kolben ausgebildet ist, wobei der Kolben im wesentlichen als ein Dreieck mit nach außen gewölbten Seiten ausgebildet ist. Trotz geringerer Teilzahl (keine Ventile z. B.) ist der Nachteil derartiger Maschine im Vergleich zu einer Maschine mit einem geradlinig hin- und herbewegenden Kolben eine aufwendige Fertigung der Kontur des Arbeitsraumes und ein aufwendiges Dichtsystem. Der Einsatz der an­ gegebenen Maschine ist demgemäß trotz Vorteilen hinsichtlich Massenausgleich, Bauvolumen und Gewicht rückläufig.

Ausgehend aus oben angegebenen Nachteilen ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Arbeits- oder Kraftrotationskolbenmaschine zu schaffen, deren Dichtigkeit zuverlässig ist, deren sich bewegende Massen dynamisch vorteilhaft angeordnet sind, die hinsichtlich Teilzahl einfach zu fertigen und preisgünstig ist, und deren Betrieb umweltfreundlich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einem Gehäuse relativ dazu gleitbar und verschiebbar ein Paar Kolben angeordnet sind, die mit Bohrungen, in denen sie gleiten, eine Spielpassung bilden. Dieses Kolbenpaar ist dabei mittels Kolbenstangen mit einer hohlen Abtriebswelle verbunden, in der gleichachsig mit letzterer eine weitere, eine Spielpassung bildende Abtriebswelle angeordnet ist. In letztere und gleichachsig dazu ist eine Bohrung ausgebildet, wobei am freien Ende der ersten Abtriebswelle ein erstes elliptisches Zahnrad und am freien Ende der mit der Bohrung versehenen Welle ein weiteres elliptisches Zahnrad fest angeordnet ist. Beide elliptische Zahnräder stehen mit zwei exzentrisch auf der Abtriebswelle und im Zahnradgetriebe angeordneten Zahnrädern im Eingriff.

Die elliptischen Zahnräder sind dabei in Drehebene gegeneinander um π/2rad ver­ setzt. Die Exzentrizität beider ausmittig angeordneten Zahnräder ist in Drehebene gegeneinander um πrad versetzt. Die jeweiligen elliptischen Zahnräder bzw. ex­ zentrischen Zahnräder sind vorzugsweise von gleichen Abmessungen.

Ein weiteres Merkmal der erfindungsgemäßen Maschine liegt darin, daß die Kol­ benstange mit der hohlen Abtriebswelle eine feste Verbindung bildet und mit dem Kolben mittels eines Kulissensteins verbunden ist, der in einer Nut des Kolbens quer mit Hinsicht auf den jeweiligen Kolben gleitbar verschiebbar ist.

Das Gehäuse der Maschine ist in Längsrichtung und von seinem ersten Ende aus mit einer gleichachsig verlaufenden zylindrischen Vertiefung ausgestattet, in der die hohle Abtriebswelle auf bekannte Weise gelagert ist. Die betreffende Vertiefung ist auch zur Aufnahme des Schmieröls vorgesehen.

Das zylindrische, radial extensive Gehäuse der Maschine ist aus zwei gleichen Hälften zusammengesetzt, wobei die Teilebene (X) in einer Querachse des Gehäuses liegt, und die jeweilige Gehäusehälfte ist quer zur Längsachse, d. h. Körperachse, der Maschine mit einer Durchbohrung runden Querschnitts ausgebil­ det, wobei letztere parallel zur Teilebene (X) des Gehäuses verläuft. Diese zwei Bohrungen verlaufen parallel zueinander und mit gleichem Abstand von der Längsachse der Maschine.

Die jeweilige Bohrung ist dabei endseitig durch einen Kopf abgeschlossen, wobei die an derselben Seite liegenden Köpfe mit Hinsicht auf die Durchbohrung zentrisch mit einer Gewindedurchbohrung zum Einsetzen einer Zündkerze ausgebildet sind.

Ein weiteres Merkmal der Maschine nach der Erfindung liegt darin, daß die Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Bohrung in der Welle, durch eine quere Durchbohrung in dieser Welle und einen Zufuhrkanal in eine Zwischenkammer und durch einen Strömungskanal weiters in eine Arbeitskammer der Kolbenmaschine ausgeführt ist. Das Abgas wird durch einen Auslaßkanal in ein Hosenrohr abgeführt, das am Gehäuse zentrisch mit Hinsicht auf die Längsachse der Maschine zugeordnet ist.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Rotationskolbenmaschine nach der Erfin­ dung, im Längsschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt nach Linie II-II nach Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt nach Linie III-III nach Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Zahnradgetriebes der Kolbenmaschine nach der Erfindung, gesehen in Richtung der Pfeile A nach Fig. 1.

Eine Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung weist ein zylindrisches, radial ex­ tensives Gehäuse 1 auf, das aus zwei gleichen Hälften 1a, 1b zusammengesetzt ist, wobei die Teilebene X in einer Querachse des Gehäuses liegt. Jeweilige Gehäusehälfte 1a, 1b ist gegebenenfalls quer zur Längsachse d. h. Körperachse der Maschine mit einer Durchbohrung 2a, 2b runden Querschnitts ausgebildet, wobei letztere parallel zur Teilebene X des Gehäuses verläuft. Diese zwei Bohrungen 2a, 2b verlaufen dabei vorteilhaft parallel zueinander und mit gleichem Abstand von der Längsachse der Maschine. Jeweilige Bohrung 2a, 2b ist endseitig durch einen Kopf 3a; 3c bzw. 3b; 3d abgeschlossen. Die Köpfe 3a, 3b sind zentrisch hinsichtlich der Durchbohrung 2a, 2b mit einer Gewindedurchbohrung 3∩ zum Einsetzen einer nicht dargestellten Zündkerze ausgebildet. In jeweiliger Bohrung 2a, 2b ist gleitbar verschiebbar ein Arbeitskolben 4a, 4b angeordnet, der mit der erwähnten Bohrung eine Spielpassung bildet. An den jeweiligen Kolben 4a, 4b sind auf bekannte Weise eine Reihe von Kolbenringen 4∩, nämlich Kompressionsringe zur Abdichtung, Minutenringe zum Einlaufen des Motors und Ölabstreifringe, angeordnet, die im wesentlichen spielfrei an die Innenwand der jeweiligen Bohrung 2a, 2b anliegen. In radialem Abstand von jeweiliger Bohrung 2a, 2b kann dem ersten Ausführungsbeispiel nach in einer gleichen Entfernung voneinander eine Reihe von Kühlkanälen 5 angeordnet werden und dem zweiten Ausführungsbeispiel nach sind zur Kühlung der Maschine an sich bekannte und nicht dargestellte Kühlrippen vor­ gesehen.

Das Gehäuse 1 ist in Längsrichtung und von ihrem ersten Ende aus mit einer gleichachsig verlaufenden zylindrischen Vertiefung 6 ausgestattet, in der eine hohle Abtriebswelle 7 auf bekannte Weise gelagert ist. Durch die Welle 7 verläuft gleichachsig eine weitere Abtriebswelle 8, die mit einer längsverlaufenden Bohrung 9 ausgestattet ist. Die Welle 8 ist spielpassungsbildend in der Welle 7 angeordnet und ragt an deren beiden Enden hinaus, wobei sie am Boden der Vertiefung 6 das Gehäuse 1 durchbricht und an dieser Stelle mit letzterem festverbunden ist. Die hohle Abtriebswelle 7 ist mit ihrem anderen Ende auf bekannte Weise in einer ersten Gehäusewand 10 eines Zahnradgetriebes 11 gelagert. Die Welle 8 ist mit ih­ rem anderen Ende auf bekannte Weise in einer zweiten Gehäusewand 12 des Zahnradgetriebes 11 gelagert, das auf einem nicht dargestellten Gestell festgehalten ist.

Die jeweilige Bohrung 2a, 2b ist mit einer Vertiefung 6 durch einen vorzugsweise rechteckigen Kanal 13a, 13b verbunden, der in radialer Richtung des zylindrischen Gehäuses 1 verläuft. Durch die erwähnten Kanäle erstreckt sich eine Kolbenstange 14a, 14b, die mit ihrem ersten Ende eine Festverbindung mit der Welle 7 und ihrem zweiten Ende eine Gelenkverbindung mit dem jeweiligen Arbeitskolben 4a, 4b bil­ det. Diese Gelenkverbindung ist durch einen Kolbenbolzen 15a, 15b ausgeführt, der am freien Ende der jeweiligen Kolbenstange 14a, 14b drehbar befestigt ist, wobei der erwähnte Kolbenbolzen fest mit einem Kulissenstein 16a, 16b verbunden ist. Letzterer ist spielpassungartig in einer zweckmäßig ausgebildeten Nut des jeweiligen Kolbens 4a, 4b angeordnet, wodurch dem Kulissenstein eine relative translatorische Bewegung quer zum Kolben 4a, 4b ermöglicht wird. Die Kanäle 13a, 13b sind derart abgemessen, daß sie eine freie Schwenkbewegung der jeweiligen Kolbenstange 14a, 14b erlauben.

Um die Beschreibung deutlich zu machen, wird angenommen, daß bezüglich Fig. 3 die Länge "oben" an der Seite der Anordnung der Zündkerze und die Lage "unten" an der gegenüberliegenden Seite ist.

Im Bereich der Verbindung mit jeweiliger Hälfte 1a, 1b des Gehäuses 1 ist die Welle 8 mit einem Paar von queren, diametral gegenüberliegenden Durchbohrungen 17 ausgebildet zur Zufuhr des Kraftstoff-Luft-Gemisches über Zufuhrkanäle (Saugkanäle) 18a, 18b, die in der jeweiligen Hälfte 1a, 1b angeordnet sind, in eine Zwischenkammer zwischen jeweiliger untätiger Seite des Kolbens und dem Kopf 3c, 3d. Der Einlaß des Kanals 18a, 18b in die Zwischenkammer ist derart ausgebildet, daß oberer Rand der Mündung im wesentlichen mit der Stirnfläche des Kolbens mit der unteren, untätigen Seite fluchtet, wenn sich der Kolben im oberen Totpunkt (OT) befindet. Hinsichtlich des Kolbens 4a, 4b ist diametral gegenüber dem jeweiligen Zufuhrkanal 18a, 18b ein Strömungskanal 19a, 19b ausgebildet, der die Zwischenkammer mit einem Verbrennungsraum verbindet, der an der anderen Kol­ benseite als die Zwischenkammer liegt, d. h. zwischen der Arbeitsseite des Kolbens und dem Kopf 3a; 3b. Der Einlaß von der Zwischenkammer in den Kanal 19a, 19b ist in unmittelbarer Nähe des Kopfes 3c, 3d ausgeführt, wobei der obere Rand der Mündung im wesentlichen mit der Stirnfläche des Kolbens an der untätigen Seite fluchtet, wenn sich der Kolben im unteren Totpunkt (UT) befindet. Dem Einlaß des Kanals 19a, 19b in die Arbeitskammer gegenüberliegend und in Richtung gegen die Gewindedurchbohrung 3∩ ist etwa um eine halbe Höhe der Mündung versetzt ein Auslaßkanal (Auspuffkanal) 20a, 20b angeordnet. Letzterem ist symmetrisch und gleichachsig mit der Körperachse der Maschine ein Hosenrohr 21 zugeordnet, das dem Abgasen aus der Maschine dient und im Bereich der Vereinigung beider Teile auf bekannte Weise in teilweise dargestelltem Gehäuse der betreffenden Maschine gelagert ist.

Das freie Ende der Hohlwelle 7, welches in der Wand 10 des Zahnradgetriebes 11 gelagert ist, ragt in das Gehäuse selbst des erwähnten Zahnradgetriebes, wobei an diesem freien Ende ein erstes elliptisches Antriebszahnrad 22 drehstarr und zentrisch angeordnet ist. Das Zahnrad 22 steht mit einem ersten zylindrischen Abtriebszahnrad 24, das an einer Abtriebswelle 23 ausmittig angeordnet ist, im Eingriff. Beabstandet von letzterem ist an der Welle 23 und ebenso ausmittig bezüglich letzterer ein zweites zylindrisches Abtriebszahnrad 25 angeordnet, das mit dem zweiten elliptischen Antriebszahnrad 26 im Eingriff sieht. Auch dieses ist wie das erste elliptische Zahnrad 22 zentrisch an der Welle 8 angeordnet, die in das Gehäuse des Zahnradgetriebes 11 ragt und in dessen zweiter Wand 12 gelagert ist. Das elliptische Zahnrad 26 ist dabei bezüglich des elliptischen Zahnrades 22 in Drehebene um πr/2rad versetzt, und die Exzentrizität der zylindrischen Zahnräder 24, 25 ist bezüglich der Drehebene um πrad versetzt. Die Abtriebswelle 23 ragt aus dem Gehäuse des Zahnradgetriebes 11 hinaus, wobei sie zur Drehmomentabnahme vorgesehen ist. Alle Zahnräder sind an ihren Wellen drehstarr befestigt.

Die jeweiligen elliptischen Zahnräder 22, 26 bzw. ausmittigen Zahnräder 24, 25 sind dabei vorzugsweise von gleichen Abmessungen. Den Entwurf von elliptischen Zahnrädern 22, 26, die Exzentrizität von Zahnrädern 24, 25, deren Parameter und Entwurf als auch den Achsenabstand der Welle 8 bzw. 9 und 23 kann ein Fachmann auf bekannte Weise mittels kinematischer Analyse und entsprechender Umrechnun­ gen erlangen.

Die Schmierung der Maschine wird durch ein Ölbad ausgeführt, wobei sich das Schmieröl in einem Raum befindet, der durch die Vertiefung 6 und die Kanäle 13a, 13b gebildet wird. Der Ölabfluß wird durch zwei an sich bekannte Läger mit Dichtscheiben verhindert.

Die Arbeitsweise der Rotationskolbenmaschine nach der Erfindung z. B. als ein Zweitaktverbrennungsmotor ist wie folgt.

Angenommen, daß die Anfangsstellung z. B. des Kolbens 4b so beschaffen ist, wie in Fig. 3 dargestellt, d. h., im OT, dann entzündet im richtigen Zeitpunkt die nicht dar­ gestellte Zündkerze den im Verbrennungsraum befindlichen Kraftstoff, wobei der derart entstandene Druck den Kolben 4b hinunterschiebt. Letzterer schließt während seiner Hinunterbewegung den Zufuhrkanal 18b für den Kraftstoff und beginnt das in der Zwischenkammer befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch zu drücken. Da der Kol­ ben 4b dabei noch immer den Einlaß des Strömungskanals 19b in den Verbren­ nungsraum schließt, vergrößert sich der Druck des Gemisches in der Zwischenkam­ mer. Während der Bewegung des Kolbens 4b gegen den UT, wird im bestimmten Zeitpunkt der Auslaßkanal 20b befreit, wodurch ermöglicht wird, daß die Abgase den Verbrennungsraum verlassen. Während des weiteren Hinuntersenkens des Kol­ bens 4b gegen den UT wird der Einlaß des Kanals 19 in die Arbeitskammer befreit, wobei das zusammengepreßte Kraftstoff-Luft-Gemisch in die Arbeitskammer hineindringt und zusätzlich beim Ausströmen der Abgase mitwirkt. Wenn der Kol­ ben 4b den UT erreicht, wobei seine Stirnfläche an der Arbeitsseite im wesentlichen mit dem unteren Rand der Einlaßmündung des Kanals 19b fluchtet, ist die ganze Menge des Kraftstoff-Luft-Gemisches in den Verbrennungsraum hineingeschoben. Der Kolben 4b beginnt sich nach oben zu bewegen, und wenn der Auslaßkanal 20b vollständig zugesperrt ist, drückt er das in der Arbeitskammer befindliche Kraftstoff-Luft-Gemisch zusammen. In der Zwischenkammer wird dabei ein Un­ terdruck erzeugt, der im Zeitpunkt, zu welchem der Kolben 4b den Einlaß des Kanals 18b in die Zwischenkammer befreit, das durch die Bohrung 9 der Welle 8 und durch die Durchbohrung 17 über den Kanal 18b hineinströmende Kraftstoff-Luft- Gemisch ansaugt. Wenn der OT erreicht ist, wird das Gemisch wieder mittels der Zündkerze entzündet und das Verfahren wird wiederholt.

Die Kolben 4a, 4b wirken um einen Takt versetzt. Wenn der erste die Kompression bzw. Expansion ausübt, tritt bei zweitem die Ansaugphase bzw. Durchströmung des Kraftstoff-Luft-Gemisches von der Zwischen- in die Arbeitskammer ein.

Der Erfindungsgedanke der Rotationsbewegung ist wie folgt.

Durch Umdrehen der Welle 8 wird auch das Gehäuse 1, mit dem diese eine starre Verbindung bildet, verdreht. Dabei dreht sich auch das elliptische Zahnrad 26, das in der Lage nach Fig. 4 die Drehbewegung über die ausmittigen Zahnräder 25 und 24 auf das elliptische Zahnrad 22 überträgt, um. Angesichts des Unterschiedes zwischen den momentanen Halbmessern der Zahnräder 22 und 26 dreht sich die Welle 7 wesentlich schneller als die Welle 8. Angesichts des Unterschiedes der Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen dem Gehäuse 1 und der Welle 7, die über die Kolbenstangen 14a, 14b eine Wirkverbindung mit den Kolben 4a, 4b bildet, kommt eine relative translatorische Bewegung der Kolben 4a, 4b mit Hinsicht auf das Gehäuse 1 zustande, wobei einer von Kolben, z. B. ein Ansaugen, und der andere eine Kompression des Kraftstoff-Luft-Gemisches ausübt. Dabei werden die elliptis­ chen Zahnräder 22, 26 um π/2rad umgedreht, im Verbrennungsraum entsteht eine Zündung, wodurch die Bewegung des zweiten Kolbens gegen den UT beschleunigt wird. Die Welle 7 wird dabei schneller als die Welle 8 verdreht, doch bleibt die Geschwindigkeit der Abtriebswelle 23 wegen der Drehmomentübertragung über die elliptischen Zahnräder 22, 26 unverändert, wobei letztere in jeweiligem Zeitpunkt mit einer Folge von πrad und mit Kolbentakten abgestimmt einen anderen Halbmesser aufweisen. Das Gehäuse 1 dient dabei als ein Schwungrad.

Claims (10)

1. Rotationskolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (1) relativ dazu gleitbar und verschiebbar ein Paar Kolben (4a, 4b) an­ geordnet sind, die mit Bohrungen (2a, 2b), in denen sie gleiten, eine Spielpas­ sung bilden, wobei das Kolbenpaar (4a, 4b) mittels Kolbenstangen (14a, 14b) mit einer hohlen Abtriebswelle (7) verbunden ist, in der gleichachsig mit letzterer eine weitere, eine Spielpassung bildende Abtriebswelle (8) an­ geordnet ist, in welch letzterer eine Bohrung (9) verläuft, wobei am freien Ende der Abtriebswelle (7) ein erstes elliptisches Zahnrad (22) und am freien Ende der Welle (8) ein weiteres elliptisches Zahnrad (26) drehstarr an­ geordnet ist und beide elliptische Zahnräder mit zwei exzentrisch auf der Abtriebswelle (23) angeordneten zylindrischen Zahnrädern (24, 25) im Eingriff stehen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elliptischen Zahnräder in Drehebene gegeneinander um π/2rad versetzt sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität beider ausmittig angeordneten Zahnräder (24, 25) in Drehebene gegeneinander um πrad versetzt ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen elliptischen Zahnräder (22, 26) bzw. exzentrischen Zahnräder (24, 25) vorzugsweise von gleichen Abmessungen sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstange (14a, 14b) mit der hohlen Abtriebswelle (7) eine feste Ver­ bindung bildet und mit dem Kolben (4a, 4b) mittels eines Kulissensteins (16a, 16b) gelenkig verbunden ist, der in einer entsprechenden Nut des Kolbens quer mit Hinsicht auf den jeweiligen Kolben gleitbar verschiebbar ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) in Längsrichtung und von seinem ersten Ende aus mit einer gleichachsig verlaufenden zylindrischen Vertiefung (6) ausgestattet ist, in der die hohle Abtriebswelle (7) auf bekannte Weise gelagert ist, wobei diese Ver­ tiefung (6) auch zur Aufnahme des Schmieröls vorgesehen ist.

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische, radial extensive Gehäuse (1) aus zwei gleichen Hälften (1a, 1b) zusammengesetzt ist, wobei die Teilebene (X) in einer Querachse des Gehäuses (1) liegt und die jeweilige Gehäusehälfte (1a, 1b) quer zur Längsachse, d. h. Körperachse, der Maschine mit einer Durchbohrung (2a, 2b) runden Querschnitts ausgebildet ist, wobei letztere parallel zur Teilebene (X) des Gehäuses (19 verläuft und die zwei Bohrungen (2a, 2b) vorzugsweise parallel miteinander und mit gleichem Abstand von der Längsachse der Mas­ chine verlaufen.

8. Rotationskolbenmaschine nach Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Bohrung (2a, 2b) endseitig durch einen Kopf (3a; 3c bzw. 3b; 3d) abgeschlossen ist, wobei die Köpfe (3a, 3b) zentrisch mit Hinsicht auf die Durchbohrung (2a, 2b) mit einer Gewindedurchbohrung (3∩) zum Ein­ setzen einer Zündkerze ausgebildet sind.

9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr eines Kraftstoff-Luft-Gemisches durch die Bohrung (9) in der Welle (8), durch quere Durchbohrungen (17) und durch einen Zufuhrkanal (18a, 18b) in eine Zwischenkammer und einen Strömungskanal (19a, 19b) weiters in eine Arbeitskammer der Kolbenmaschine ausgeführt ist.

10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas durch einen Auslaßkanal (20a, 20b) in ein Hosenrohr (21) abgeführt ist, das am Gehäuse (1) zentrisch mit Hinsicht auf die Längsachse der Maschine zugeordnet ist.