DE19953168A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Abstract

Bei einer Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse (10) und einem Kolben (12), der in einem Hohlraum des Gehäuses (10) drehbar angeordnet und mit einer das Gehäuse durchsetzenden Welle (18) drehfest verbunden ist, wobei in dem Gehäuse (10) jeweils mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßkanal zum Zuführen bzw. Abführen eines Arbeitsfluids zu bzw. aus dem Hohlraum ausgebildet sind, hat der Hohlraum einen Abschnitt in Form eines zur Welle (18) koaxialen zylindrischen Ringraumes, wobei der Kolben (12) als Ringkolben in Form eines zylindrischen Rohrabschnittes ausgebildet ist, der in den Ringraum des Gehäuses (10) eingreift und in diesem axial verschiebbar geführt ist, die einander zugekehrten Endflächen (20, 26) des Ringraumes und des Ringkolbens (12) als stetige Wellenflächen mit achsparallel gerichteter Amplitude ausgebildet sind und wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen innerhalb eines axialen Bereiches der Ringraummantelfläche liegen, der durch den maximalen axialen Abstand der Wellentäler der einander zugewandten Endflächen (20, 26) bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse und einem Kolben, der in einem Hohlraum des Gehäuses drehbar angeordnet und mit einer das Gehäuse durchsetzenden Welle drehfest verbunden ist, wobei in dem Gehäuse jeweils mindestens ein Einlaß- und Auslaßkanal zum Zuführen bzw. Abführen eines Arbeitsfluides zu bzw. aus dem Hohlraum ausgebildet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art anzugeben, die einfach im Aufbau ist und bei der die Einlaß- und Auslaßöffnungen für das Arbeitsfluid auf einfache Weise gesteuert werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Hohlraum einen Abschnitt in Form eines zur Welle koaxialen zylindrischen Ringraumes hat, daß der Kolben als Ringkolben in Form eines zylindrischen Rohrabschnittes ausgebildet ist, der in den Ringraum des Gehäuses eingreift und in diesem sowie an der Welle axial verschiebbar geführt ist, und daß die einander zugekehrten Endflächen des Ringraumes und des Ringkolbens als stetige Wellenflächen mit achsparallel gerichteter Amplitude ausgebildet sind, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen innerhalb eines axialen Bereiches der Ringraummantelfläche liegen, der durch den maximalen axialen Abstand der Wellentäler der einander zugekehrten Endflächen bestimmt wird.

Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann als Pumpe oder, sofern die Wellenflächen des Ringraumes und des Ringkolbens mit mindestens zwei Wellenbergen und Wellentälern auf 360° des Umfanges ausgebildet sind, auch als Motor betrieben werden. In der Regel wird die Maschine so ausgebildet sein, daß das Gehäuse feststeht und der Kolben mit der Welle umläuft. Prinzipiell ist jedoch auch die entgegengesetzte Anordnung möglich, bei welcher sich das Gehäuse gegenüber dem nichtrotierenden Kolben dreht. Jedoch sind hier die Anschlüsse für die Zufuhr und die Abfuhr des Arbeitsfluides komplizierter. Der Kolben kann dabei auf der Welle axial verschiebbar gelagert sein oder starr mit der Welle verbunden sein, die ihrerseits axial verschiebbar in dem Gehäuse gelagert ist.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der Arbeitsraum der Drehkolbenmaschine durch die variablen Hohlräume zwischen den aneinander gleitenden Endflächen des Ringraumes und des Ringkolben gebildet. Dabei vergrößert oder verkleinert sich der jeweilige Hohlraum sowohl durch die Drehung als auch die axiale Hubbewegung des Kolbens gegenüber dem Gehäuse. Die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung können in der Mantelfläche des Ringraumes so angeordnet werden, daß sie zyklisch durch die Kolbenwand freigegeben und wieder geschlossen werden, um im Falle einer Pumpe beispielsweise ein Arbeitsfluid anzusaugen und wieder auszustoßen oder im Falle eines Motors ein Treibstoffgemisch anzusaugen, zu verdichten und anschließend die Verbrennungsgase wieder auszustoßen.

Da der Ringkolben bezüglich seiner Drehachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist, erhält man einen völlig ruhigen Lauf des Kolbens. Das gleiche würde für ein rotierendes Gehäuse gelten. Es treten keine wesentlichen Dichtungsprobleme auf. Ventile sind für das Öffnen und Schließen der Einlaß- und Auslaßöffnungen nicht erforderlich.

Vorzugsweise sind die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung jeweils so angeordnet, daß eine der Öffnungen in Umfangsrichtung vor und die andere hinter einem Wellenberg der Endfläche des Ringraumes liegt. Bei Ausbildung der Drehkolbenmaschine als Motor sind auf dem Umfang von 360° eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung vorgesehen. Bei Ausbildung der Drehkolbenmaschine als Pumpe sind vorzugsweise jeweils zwei Einlaßöffnungen und zwei Auslaßöffnungen vorgesehen.

Eine der Endflächen kann zumindest annähernd sinusförmig ausgebildet sein. Die andere wird vorzugsweise so gewählt, daß eine möglichst gleichförmige axiale Bewegung des Kolbens während einer Umdrehung erreicht wird und keine ruckartigen oder extremen Beschleunigungen des Kolbens in axialer Richtung auftreten.

Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird der Kolben beispielsweise durch eine Feder in axialer Richtung so vorgespannt, daß seine Endfläche stets an der Endfläche des zugehörigen Ringraumes anliegt. Die Kraft, mit der die Flächen gegeneinander gedrückt werden, kann auch durch den Fluiddruck im Ringraum geregelt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei Ringraum-/ Ringkolbenanordnungen der vorstehend genannten Art koaxial zueinander so angeordnet, daß die beiden auf derselben Welle angeordneten Kolben sich gemeinsam zwischen den Endflächen der beiden Ringräume bewegen.

Beispielsweise können die beiden Kolben zu einem einstückigen Doppelkolben vereinigt sein. Dabei sind die beiden Endflächen des Hohlraumes oder der beiden miteinander vereinigten Ringräume so zueinander angeordnet, daß die Maxima und Minima ihrer Wellenflächen jeweils auf denselben Erzeugenden der zylindrischen Mantelfläche des Hohlraumes liegen. Dadurch läßt sich sicherstellen, daß die beiden Endflächen des rotierenden Ringkolbens stets an beiden Endflächen des Hohlraums gleichzeitig gleiten, wenn der Kolben rotiert.

Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Endung anhand von Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine mit einer Kolben/Ringraumanordnung,

Fig. 2 einen die Achse enthaltenden Schnitt durch das Gehäuse der in Fig. 1 dargestellten Anordnung,

Fig. 3 eine schematische perspektivische, teilweise aufgebrochene Darstellung einer Drehkolbenmaschine mit einem Doppelkolben,

Fig. 4 einen schematischen, die Achse enthaltenden Schnitt durch die Doppelkolbenanordnung gemäß Fig. 3,

Fig. 5 bis 10 jeweils eine Abwicklungsdarstellung der aneinander gleitenden Endflächen des Gehäusehohlraumes und des Doppelkolbens einer als Motor arbeitenden Doppelkolbenmaschine gemäß den Fig. 3 und 4 und

Fig. 11 bis 16 den Fig. 5 bis 10 entsprechende Darstellungen einer Drehkolbenmaschine, die als Pumpe betrieben wird.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Drehkolbenmaschine umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 10 und einen in Form eines Rohrabschnittes ausgebildeten Ringkolben 12, der in einem ringförmigen Hohlraum 14 des zylindrischen Gehäuses 10 drehbar und axial verschiebbar geführt ist. Der Kolben ist über einen radialen Boden, der in Fig. 1 gestrichelt angedeutet und mit 16 bezeichnet ist oder über radiale Speichen mit einer Welle 18 drehfest, aber axial auf der Welle 18 verschiebbar verbunden, welche das Gehäuse 10 durchsetzt. Eine solche eine axiale Verschiebung ermöglichende drehfeste Verbindung kann beispielsweise über eine Keilverzahnung erfolgen, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Der Ringraum 14 hat eine ringförmige Endfläche 20, die einen geradlinigen oder gekrümmten Querschnitt haben kann und die in Umfangsrichtung wellenförmig verläuft mit achsparallel gerichteter Wellenamplitude. Wie man in den Fig. 5 bis 10 erkennt, ist die Wellenlinie annähernd sinusförmig und hat in dem dargestellten Beispiel zwei Wellenberge oder Maxima 22 sowie zwei Wellentäler oder Minima 24.

Die der Endfläche 20 des Ringraumes 14 zugewandte Stirn- oder Endfläche 26 des Ringkolbens 12 ist ebenfalls wellenlinienförmig ausgebildet, wie dies in der Fig. 1 zu erkennen ist. Auch diese Endfläche hat zwei Maxima oder Wellenberge 28 und zwei Wellentäler 30 (Fig. 5 bis 10). Diese Wellenlinie ist jedoch so ausgebildet, daß die in Umfangsrichtung gemessene Halbwertsbreite eines Wellenberges, d. h. die Breite des Wellenberges in der axialen Mitte zwischen einem Wellenminimum und einem Wellenmaximum geringer als die Halbwertsbreite eines Wellentales ist. Die Anordnung könnte auch insofern umgekehrt gewählt sein, als die Endfläche 26 des Ringkolbens sinusförmig gewählt ist und die Endfläche 20 des Ringraumes 14 schmalere Wellenberge und breitere Wellentäler hat.

In Fig. 2 ist ferner in dem Gehäuse 10 einer der Einlaß- und Auslaßkanäle 32 zu erkennen, der an der inneren Begrenzungswand des Ringraumes 14 endet und zum Zuführen oder Abführen eines Arbeitsfluides zu dem Ringraum 14 dient, wie dies anhand der Fig. 5 bis 16 noch näher erläutert wird.

Der Kolben 12 wird durch eine koaxial zur Welle 18 angeordnete Schraubenfeder 34 gegen die Endfläche 20 des Ringraumes 14 gespannt. Anstelle der Schraubenfeder kann auch ehe Tellerfeder verwendet werden, die gleichzeitig dazu dienen kann, den Kolben drehfest mit der Welle zu verbinden. Mit der Tellerfeder wird die axiale Baulänge verkürzt.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine sind zwei Kolben/Gehäuseanordnungen der in Fig. 1 dargestellten Art koaxial zueinander angeordnet, wobei die Feder 34 entfällt. Die beiden Kolben sind zu einem einzigen Doppelkolben vereinigt, wobei in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 1 und 2 bezeichnet sind.

Die Anordnung der Endflächen 20 der Ringräume 14 ist so gewählt, daß die Maxima und Minima der beiden Endflächen 20 jeweils auf einer gemeinsamen Erzeugenden der zylindrischen Ringräume 14 liegen, wie dies auch die Fig. 5 bis 16 zeigen.

Die Endflächen 26 des Doppelkolbens 12 dagegen sind so geformt, daß das Maximum oder der Wellenberg 28 der einen Endfläche mit einem Minimum oder dem Wellental 30 der entgegengesetzten Endfläche gemeinsam auf einer Erzeugenden des zylindrischen Ringkolbens 12 liegt.

Die Fig. 5 bis 10 betreffen eine als Motor betriebene Drehkolbenmaschine der in den Fig. 3 und 4 beschriebenen Art, wobei die funktionalen Erläuterungen hierzu aber ebenso für die Maschine gemäß den Fig. 1 und 2 gelten. Pro Zylinder sind auf einem Umfang von 360° je eine Einlaßöffnung 36 und eine Auslaßöffnung 38 vorgesehen und zwar so, daß bezogen auf die in Richtung des Pfeiles A weisende Umlaufrichtung des Kolbens 12 die Auslaßöffnung 38 vor einem Wellenberg 22 und die Einlaßöffnung 36 nach dem Wellenberg 22 liegt.

Fig. 5 zeigt den Kolben 12 im oberen Totpunkt. Dabei sind zwischen der oberen Endfläche 20 des Ringraumes 14 und der oberen Endfläche 26 des Kolbens 12 vier voneinander getrennte Hohlräume gebildet. Der zwischen 90° und 180° liegende Hohlraum enthält ein maximal verdichtetes Gemisch zum Zündzeitpunkt. Aus dem zwischen 180° und 270° liegenden Hohlraum wurden die Verbrennungsgase ausgestoßen. Die Auslaßöffnung 38 wurde geschlossen. Bei einer Drehung des Kolbens 12 in Richtung des Pfeiles A wird die Einlaßöffnung 36 allmählich geöffnet, so daß in den zwischen 270° und 360° liegenden Hohlraum Gemisch angesaugt wird. In der unteren Hälfte dagegen hat der in Umlaufrichtung zwischen 270° und 90° gemessene Verbrennungsraum seine maximale Ausdehnung erreicht. Die Auslaßöffnung 38 ist offen. Der Kolben 12 befindet sich bezüglich der unteren Endfläche 20 in seinem unteren Totpunkt und der Ausschub der Verbrennungsgase aus dem Brennraum beginnt. In dem zweiten zwischen 90° und 270° liegenden Hohlraum wurde Gemisch angesaugt, das nun bei sich weiter drehendem Kolben verdichtet wird.

Fig. 6 zeigt die vorstehend angedeuteten Vorgänge bei einer Drehung des Kolbens 12 in Richtung des Pfeiles A relativ zu dem feststehenden Gehäuse 10. Die obere Einlaßöffnung 36 ist nun offen, so daß Gemisch angesaugt werden kann. Die Auslaßöffnung 38 ist geschlossen. Der Brennraum vergrößert sich mit den sich ausdehnenden Verbrennungsgasen. Im unteren Teil ist der Auslaßkanal vollständig geöffnet, so daß die Brenngase ausgeschoben werden können, . während die Einlaßöffnung geschlossen ist und somit eine Verdichtung in dem angegebenen Bereich ermöglicht. Die Fig. 8 zeigt die zu der Fig. 5 inverse Stellung, d. h. der Kolben 12 befindet sich bezüglich der oberen Endfläche 20 des Ringraumes 14 in seiner unteren Totpunktstellung und bezüglich der unteren Endfläche 20 des Ringraumes 14 in seiner oberen Totpunktstellung. An die Fig. 10 schließt sich dann wieder der in Fig. 5 dargestellte Zustand an, in dem der Kolben 12 eine Umdrehung relativ zum Gehäuse und damit die vier Takte, nämlich Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen des Motors ausgeführt hat.

Man erkennt, daß die Steuerung der Einlaß- und Auslaßöffnungen vollständig ohne Ventile allein durch den Kolben selbst möglich ist und daß außer dem rotierenden und axial oszillierenden Kolben sowie der Welle keine weiteren beweglichen Teile erforderlich sind. Insbesondere werden keine beweglichen Dichtungselemente benötigt. Da der Kolben völlig symmetrisch aufgebaut ist, tritt auch keine Unwucht auf, welche die Lager oder die Welle beanspruchen würde.

Die Fig. 11 bis 16 zeigen die gleichen Phasen für eine als Pumpe ausgebildete Drehkolbenmaschine. Da es hier nur zwei Takte pro Arbeitshub gibt, nämlich Ansaugen und Ausstoßen, können zwei Paare von Einlaßöffnung 36 (Saugleitung) und Auslaßöffnung 38 (Druckleitung) vorgesehen sein. Im übrigen ist die Arbeitsweise der beiden Kolben/Ringraumanordnungen wieder in der gleichen Weise um 180° gegeneinander versetzt, wie dies bereits bei dem Motor gemäß den Fig. 5 bis 10 beschrieben wurde.

Claims (11)

1. Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse (10) und einem Kolben (12), der in einem Hohlraum des Gehäuses (10) drehbar angeordnet und mit einer das Gehäuse durchsetzenden Welle (18) drehfest verbunden ist, wobei in dem Gehäuse (10) jeweils mindestens ein Einlaß- und ein Auslaßkanal (32) zum Zuführen bzw. Abführen eines Arbeitsfluides zu bzw. aus dem Hohlraum ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum einen Abschnitt in Form eines zur Welle (18) koaxialen zylindrischen Ringraumes (14) hat, daß der Kolben (12) als Ringkolben in Form eines zylindrischen Rohrabschnittes ausgebildet ist, der in den Ringraum (14) des Gehäuses (10) eingreift und in diesem axial verschiebbar geführt ist und daß die einander zugekehrten Endflächen (20, 26) des Ringraumes (14) und des Ringkolbens (12) als stetige Wellenflächen mit achsparallel gerichteter Amplitude - ausgebildet sind, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnungen (36, 38) innerhalb eines axialen Bereiches der Ringraummantelfläche liegen, der durch den maximalen axialen Abstand der Wellentäler (24, 20) der einander zugewandten Endflächen (20, 26) bestimmt wird.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Wellenberge (22, 28) und zwei Wellentäler (24, 30) auf 360° des Umfangs vorgesehen sind, wobei die in Umfangsrichtung gemessene Halbwertsbreite der Wellenberge (28) mindestens einer der Endflächen kleiner als die der Wellentäler (30) derselben Endfläche ist.

3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) auf der Welle (18) axial verschiebbar gelagert ist.

4. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) starr mit der Welle (18) verbunden und diese axial in dem Gehäuse (10) verschiebbar gelagert ist.

5. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (12) in Richtung auf die Endfläche (20) des Ringraumes (14) vorgespannt ist.

6. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (36) und die Auslaßöffnung (38) in Umfangsrichtung vor bzw. hinter einem Wellenberg (22) der Endfläche (20) des Ringraumes (14) angeordnet sind.

7. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Verwendung als Pumpe jeweils mindestens zwei Einlaßöffnungen (36) und zwei Auslaßöffnungen (38) vorgesehen sind.

8. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine der miteinander in Berührung tretenden Endflächen (20, 26) sinusförmig ausgebildet ist.

9. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Ringraum/Ringkolbenanordnungen (14, 12) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 koaxial zueinander so angeordnet sind, daß die beiden auf derselben Welle (18) angeordneten Kolben (12) sich gemeinsam zwischen den Endflächen (20) der beiden Ringräume (14) bewegen.

10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kolben einen einstückigen Doppelkolben (12) bilden.

11. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden identisch geformten Endflächen (20) des Hohlraumes so zueinander angeordnet sind, daß die Maxima und Minima der beiden Endflächen jeweils auf denselben Erzeugenden der zylindrischen Mantelfläche des Hohlraumes liegen.