DE2226674A1 - Mittelachsige drehkolbenmaschine zur vorzugsweisen anwendungs als verbrennungskraftmaschine nach dem otto- oder dieselprinzip - Google Patents

Description

• Mittelachsige Drehkolbenmaschine zur vorzugsweisen Anwendung als Verbrennungskraftmaschine nach dem Otto- oder Dieselprinzip Trotz jahrzehntelanger Bemühungen zahlreicher Erfinder und Konstrukteure ist erst eine einzige Rotationskolbenmaschine, und zwar in Form einer Kreiskolbenmaschine, in die Serienproduktion gelangt. Nach Überwindung vieler Detailschwierigkeiten stellt sie jetzt eine echte Alternative zu hochentwickelten Hubkolbenmotoren dar.
• Aufgrund ihrer Geometrie eignet sie sich allerdings nur für die Anwendung des Otto-Prinzips, denn das Verdichtungsverhältnis ist nicht besonders hoch. Es sind zwar Vorschläge bekannt geworden, diese reiskolbenmaschine mit einer Vorverdichterstufe zu kombinieren und damit die Diesbelverdichtung zu erreichen; dies führt jedoch zu einer erheblichen Vergrößerung des Bauauflfandes.
• Mit der Konzeption der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine läßt sich die wahlweise Anwendung des Otto- oder des Dies prinzips auf relativ einfache Weise verwirklichen: In einer Statorkammer mit parallelen Stirnflächen und arenaförmiger Laufbahnkontur rotiert, mittelachsig gelagert, ein rhombenförmiger Kolbenläufer. Er besteht aus vier rechteckigen, starren Platten gleicher Größe, deren Schmalseiten gelenkig miteinander verbunden sind und dadurch den Läufer in die Lage versetzen, seine Drehbewegung bei gleichzeitigem Kontakt aller vier Kanten mit der Statorlaufbahn zu vollziehen. Die Ubertragung des Läuferdrehmomentes auf die mittelachsige Abtriebswelle erfolgt entweder mittels einer Speiche, deren Achse durch die Mitte zweier gegenüberliegender Läuferplatten geht oder durch einen Kompensatorhebel. Die erstgenannte Anordnung erlaubt eine direkte Gelenkverbindung der Speiche mit den Platten, die zweitgenannte hingegen erfordert eine zusätzliche konstruktive Maßnahme. Als vorteilhaft wird vorgeschlagen, alle vier Läuferplatten mittig durch Stützspeichen mit beidseitigem Gelenk gegen die Abtriebswelle auszusteifen. Dadurch kann das Biegemoment der beaufschlagten Läuferpiatten um etwa 75% reduziert und somit der Plattenquerschnitt besonders günstig dimensioniert werden, Dies wirkt sich vor allem dann positiv aus, wenn das erfindungsgemäße Drehkolbenprinzip für einen Dieselmotor verwendet werden soll, bei dem sehr hohe Gasdrücke bewältigt werden müssen. Erg.nzt man nun das Stützspeichenkreuz durch ein gelenkig angebrachtes Parallelogrammgestänge und setzt man in das freie Gelenk einen Führungszapfen, kann man damit einen gabelförmigen, starr mit der Abtriebswelle verbundenen Hebel in Gang setzen, dessen Achse in Jeder Phase des Umlaufes durch zwei gegenüberliegende Gelenkzentren des Kolbenläufers geht.
• Die Form der Arenakurve hängt von der gewählten maximalen Ectfinkeldifferenz des Rhombenläufers und dem daraus resultierenden Hauptachsenverhältnis der Statorkammer, also ihrem Länglichkeitsgrad, ab. Weiterhin wird die Arenakontur durch den radialen Abstand der Berührungslinie des parallel zur Läuferkante liegenden Dichtelementes vom Gelenkzentrum der zugehörigen Läuferplatten beeinflußt. Mit wachsender Länglichkeit vergrößert sich die Exzentrizität der Arbeitsresultierenden und somit das spezifische Drehmoment der erfindungsgemäßen Maschine, Vom Gesichtspunkt der rationellen Fertigung der Arena-Lauffläche dürfte eine Kontur mit zwei parallelen, also geradlinigen, Langseiten und den zugehörigen korbbogenartigen Schmalseiten das Optimum daratellen. Der Länglichkeitsgrad beträgt in diesem Falle etwa 1,65. Die in Bezug auf die beiden Diagonalen symmetrische Form des Kolbenläufers ergibt auch eine symmetrische Arenakontur.
• Die Außenflächen der Läuferplatten werden der Kontur der Arena-Langseiten, also dem Bereich der geringsten Laufbahnkrummung, angenähert. Da die Geometrie der erfindungsgemäßen Maschine keinen schädlichen Raum verursacht, ist es möglich, das zur Verfügung stehende, vom gewünschten Verdichtungsverhältnis abhängige, kleinste Arbeitsraumvolumen weitgehend nach dem Gesichtspunkt eines optimalen Verbrennungsablaufes zu verwenden. Dieser Vorteil wirkt sich besonders bei der Durchführung des Diesel-Prinzips aus, weil dann noch genügend Raum für geeignete Vertiefungen im Kolbenläufer, erforderlichenfalls auch für eine Vor- oder Wirbelkammer in der Statorwand, vorhanden ist. Dadurch läßt sich der bekannte Nachteil von flachsichelförmigen Verbremlungsräumen für die Gemischbildung in erheblichem Umfange herabsetzen.
• Für die Ausbildung der Läuferplattengelenke gibt es verschiedene Möglichkeiten. Als besonders vorteilhaft für die Fertigung wird vorgeschlagen, die Plattenstirnseiten durchgehend mit Lagerteilschalen zu versehen und zwischen je zwei benachbarte Stirnseiten geschliffene und gehärtete, mittig gebohrte, Stahl zapfen einzulegen, deren Stirnseiten genau rechtwinklig bearbeitet sind, um eine möglichst spielfreie Passung mit den Seitenflächen der Statorkammer zu erhalten. Trennt man die Stahl zapfen in der Mitte durch und legt man an dieser Stelle eine kurze, kräftige Schraubenfeder oder zwei spiegelbildlich angeordnete Tellerfedern ein, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß unabhängig von Wärmedehnungen und Verscleißersceinungen ein relativ gleichmäßiger Druck auf die Kammerwände ausgeübt wird.
• Die Antriebs- bzw. Stützspeichen erhalten ebenfalls Lagerzapfen, die Läuferplatten Lagerhalbschalen, deren Zentrum auf der Verbindungslinie der Kantengelenke liegt und jene halbiert. Die Lagerung der Stützspeichen auf der Abtriebswelle kann mittels Balb- oder Volischalen vorgenommen werden. Die Verwendung von Wälzlagern wäre zwar möglich, dürfte sich jedoch erübrigen.
• Da sämtliche Gelenkzentren auf den Hauptachsen des Rhombus oder auch gleichseitigen Parallelogramms liegen, bleiben die Gelenkabstände während der Läuferrotation unverändert; wenn man von hcrmischen Einflüssen absieht, welche die Rhombus-Seiten um ein geringes Maß delta-l verlängern und zudem um das kleine Maß delta r gegen die Arena-Laufbahn krümmen möchten. Bei Verwendung von scharnierartigen Kantengelenken, deren Anschlußlappen beweglich in Plattenstirnschlitzen gelagert und auf geeignete Weise gegen den Schlitzboden abgefedert sind, lassen sich auch die Temperatureinflüsse weitgehend neutralisieren.
• Ein weiterer Vorteil dieser Methode liegt darin, daß mit federlosen Dichtelementen gearbeitet werden kann, die in Form von IIalbschalen auf der bearbeiteten Scharnierwölbung ruhen und mindestens eine, besser jedoch zwei Dichtleisten oder Dichtnadeln tragen. Da sich die Halbschalen tangential auf der Scharnierwölbung bewegen können, kommen während der Läuferrotation bei genauer Berechnung und Ausführung der Arenakontur beide Dichtleisten zur Berührung mit der l.auffläche. Der Andruck ergibt sich als Komponente aus der J)ruckkraft der Scharnierfedern, die Fliebkraft wirkt sich zusätzlich andruckverstärkend aus.
• Eine ausreicllende Schmierung der Gelenke und der Dichteler:ente erfolgt teils aus Richtung - der abtriebswei lenseitigen Oberfläche, teils aus Richtung der Wandbohrungen des hohlen Gelenkzapfens. Dies gilt nicht nur für die Kanten, sondern auch für die Stütz- und ^ntriebsslxeichengelenke Die Versorgung des Rolbenläufers mit Schmier- und Kühlflüssigkeit wird durch eine ausreichend dimensionierte Axialbohrung und mehrere Radialbohrungen in der Abtriebswelle auf einfache Weise bewerkstelligt. Auch hier wirken sich die mit der Läuferdrehzahl wachsenden Fliehkräfte sehr günstig aus. Es ist ohne weiteres möglich, mit weitgehend gefüllte1 Läuferhohlraum zu arbeiten.
• Die infolge der periodischen Läuferverformung entstehende Pumpwirkung unterstützt die Durchwirbelung der Kühlflüssigkeit und sorgt bei Zwischenschaltung nfeier gleichgerichteter -Federventile an den Abtriebswellenenden für ständigen TXreislauf.
• Die Kühlung der Statorwand bringt keine Schwierig*.eiten mit sich, da sie auf klassische Weise mittels Wasser oder Luft erreicht werden kann, Es ist nur darauf zu achten, daß der Arbeitstaktbereich mit seiner relativ hohen Wärmeerzeugung genügend schnell durchströmt wird bzw. reichlich dimensionierte Kühlrippen erhält.
• Zur Realisierung des Viertakt-Verfährens wird die Zündkerze oder-Einspritzdüse etwa in der Mitte einer Arenalangseite angeordnet. Die beiden Gaswecbselschlitze befinden sich auf der gegenüberliegenden Langseite. Steuerventile sind nicht erforderlich, weil der Kolbenläufer selbst den Gaswechsel besorgt.
• Eine volle Umdrehung des Läufers bewirkt vier volle Takte, es entfallen also auf eine volle Abtriebswellenumdrehung vier Arbeitstakte. Somit kommt die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine bei Verwendung einer einzigen Statorkammer im Drehmomentenverlauf einem Achtzylinder-Viertakt-Hublçolbenmotor nahe. Dieser günstige Umstand bietet die Gewähr für hohe Elastizität und Laufruhe bei weitgehendem Verzicht aüf störende Schwungmassen. -Zur Realisierung des Zweitaktverfahrens werden zwei Zündkerzen oder Einspritzdüsen etwa in den Mitten beider Arenalangseiten angeordnet. Je zwei Gaswechselschlitze befinden sich im Bereich der Arenaschmalseiten. Steuerventile sind nicht erforderlich.
• Auf die verschiedenen Möglichkeiten der Spülung soll hier nicht näher eingegangen werden. Eine volle Umdrehung des Läufers bewirkt vier volle Doppeltakte, es entfallen also auf eine volle Abtriebswellenumdrehung vier doppelte Arbeitstakte. Somit kommt die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine bei Verwendung einer einzigen'Statorkammer im Drehmomentenverlauf einem Vierzylinder-Zweitakt-Boxermotor nahe. Folglich ergeben sic auch in diesem Falle hervorragende Laufeigenschaften Das Zweitakt-Verfahren wird allerdings nur dann interessant sein, wenn ein langsam laufender Motor gebaut werden soll, bei dem genügend Zeit, für llen $pültakt zur Verfügung steht. Dies würde beispielsweise bei Schiffs- oder Schlrerfahrzeugmotoren zutreffen.
• Bei Anwendung zweier gleicher Statorkammern in koaxialer Lage, mit gemeinsamer Abtriebswelle und um 45° versetzten Itolbenläufern, läßt sich der Drehmomentenverlauf fast völlig ausgleichen oder, anders ausgedrückt, linear gestalten, weil in diesem Falle bereits eine Annäherung an einen gedachten 16-Zylinder-Viertakt- oder 8-Zylinder-Zweitakt-Hubkolbenmotor stattfindet. Auf diese Weise ist es möglich, einen Fahrzeugmotor mit ungewöhnlich hoher Elastizität und-Laufruhe zu bauen, dessen IIerstellungskosten weit unter denen einer vergleichbaren Hubkolbenmaschine liegen würden und dessen Leistungsgewicht außerordentlich gering wäre. Aufgrund dieser Vorteile der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine wäre es zum ersten Mal in der Geschichte der Luftfahrt möglich, einen wirtschaftlichen und leichten Dieselmotor für den Antrieb von l'ropellerflugzeugen oder llubschraubern zu entwickeln. Dem kommt noch entgegen, daß infolge der günstigen Drehzahl der Abtriebswelle wahrscheinlich kein Untersetzungsgetriebe erforderlich wäre, wodurch sich eine zusätzliche Gewichtsoinsparung ergeben würde.
• Zwar ließe sich das erfindungsgemäße Grundprinzip des Gelenk-Kolbenläufers in einer mittelachsigen Drehkolbenmaschine auch mit drei oder fünf Platten verwirklichen; es wäre jedoch infolge fehlender Läufersymmetrie wesentlich schwieriger, Stütz- und Antriebsspeichen anzuordnen. Deshalb dürfte schon aus lfirtschaftlichen Gründen die Verwendung eines Rhombenläufers die optimale Lösung darstellen. In diesem Zusammenhang muss noch darauf hingewiesen werden, dass ein Dreiplattenläufer ohnedies nur mit Doppelgelenken ausgeführt werden könnte, korrekt betrachtet also ein ungleichseitiges Sechseck als Grundlage hätte. Dieser Umstand würde nicht nur die IIerstellungskosten, sondern auch die Laufeigenschaften sehr nachteilig beeinflussen.
• Beim Bau von Ottomotoren nach dem erfindungsgemässen Drehkolbenprinzip kann es von Vorteil sein, Doppelzünd'Serzen anzuordnen Dadurch liesse sich die Gefahr von Fehlzündungen auf ein Minimum beschränken und andererseits der Verbrennungsablauf verbessern.
• Verlegt man die plattenseitigen Gelenkzentren der Stützspeichen aus der Verbindungslinie der Kan-tengelenke des Rhombusläufers in Richtung der Arenalaufbahn, ergibt sic die kIöglichkeit, anstelle der vorgeschlagenen koaxialen Anlenkung der Stützspeichen an die Abtriebswelle die inneren Gelenkzentren in radialer Richtung zu verschieben. Sie befinden sich dann auf den vier Eckpunkten eines gedachten Rhombus, der koaxial zur Abtriebswelle, jedoch um 450 gegen diese verschwenkt ist. Der Vorteil dieser Alternative ist der Wegfall einer separaten Antriebsspeiche oder -gabel, da nunmehr alle vier Stützspeichen gleichzeitig als Antriebsspeichen wirksam werden, wenn die neuen Gelenke über einen quadratischen Mitnehmerrahmen kraftschlüssig mit der Abtriebswelle verbunden sind.
• Figur I: Schnitt durch die ertindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit parallelseitiger Statorkammer. Der Länglichkeitsgrad beträgt hier etwa 1,62. Die vier Kantengelenlçbolzen tragen je eine abgefederte Dichtleiste. AuBeriem sind die Plattenseitenflächen; mit leicht gekrümmten, ebenfalls abgefederten Leisten gegen die Statorkammerwand abgedichtet.
• Die Möglichkeit, mit dem erfindungsgemäßen Prinzip ein extrem hohes Verdichtungsverhältnis zu erreichen, geht aus dieser Schnittzeichnung klar hervor. Das maximale spezifische Arbeitsdrehmoment F . h g liegt weit höher als beim anfangs erwähnten Ereiskolbenmotor.
• Figur II: Systemschnitt durch die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine mit ellipsenähnlicher, korbbogenartiger Statorkammer. Das doppelseitige Parallelogrammgesänge mit beidseitigem Führungszapfen dient dazu, den kraftschlüssig mit der Abtriebswelle verbundenen Gabel- bzw. Schlitzhebel Während der Rotation des Rhombusläufers in der Verbindungsachse zweier gegenüberliegender Rhombuskantengelenke zu fixieren; der Länglichkeitsgrad beträgt hier nur etwa 1,30, somit ist das maximale spezifische Arbeitsdrehmoment F . h niedriger als bei g Figur I.
• Ein diesem Systemschnitt entsprechender Motor eignet sich vor allem für die Anwendung des Otto-Prinzips.
• Beide Figuren zeigen deutlich, daß die Arenakontur einfachen geometrischen Gesetzmäßigkeiten unterliegt. Daraus folgt, daß die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine gegenüber bekannten Rotationskolbenmaschinen mit Trochoidenkontur wesentliche Fertigungsvorteile aufweist.

Claims (10)

Pat entans prüche

1. Mi ttelachsige Drehkolbenmaschine, für den Einsatz als Arbeits- oder Kraftmaschine, vorzugsweise aber als Verbrennungskraftmaschine nach dem Otto- oder Dieselprinzip geeignet, dadurch g-e k e n n z e i c h n e t , daß in einer Statorkammer mit parallelen Stirnflächen und arenaförmiger Laüfbahnkontur ein aus vorzugsweise vier kongruenten, starren Rechteckplatten bestehender, mit vier zweckmäßig ausgebildeten Kantengelenken versehener, rhombenförmiger, durch eine diametrale Speiche kraftschliissig mit der Abtriebswelle verbundener und vorteilhaft durch weitere Speichen gelenkig gegen die Abtriebswelle abgestützter Kolbenläufer rotiert und dabei vier sichelförmige, durch Dichtelemente mit einer oder zwei Berührungslinien voneinander getrennte, ihr Volumen periodisch verändernde Arbeitsräume bildet, deren Gaswechsel durch in der Statorkammerwänd ausgesparte, großzügig dimensionierbare Schlitze auf ventillose Weise erfolgt.

2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Verdichtungsverhältnis durch Änderung der Arena- oder der Kolbenläuferkontur infolge der günstigen Geometrie des Systems in weiten Grenzen variiert werden kann.

3. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen i und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zünd- oder Einspritzvorgang auf einer Arenalangseite und der Gaswechsel durch zwei Schlitze in der gegenüberliegenden Langseite erfolgt, -und dadurch das Viertaktprinzip in der Weise ermöglicht wird, daß auf eine volle Kolbenläufer- oder Abtriebswellenumdrehung vier Zünd- oder Einspritzphasen Knd infolgedessen vier Arbeitstakte entfallen, wodurch die Masehine bereits bei nur einer Statorkammer im Breh;-momenteinvzerlau! einem Achtzylinder-Viertakt-Hubkolbenmotor nahekommt.

4. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Zünd- oder Einspritzvorgang diametral und gleichzeitig auf beiden Arenalangseiten und der Gaswechsel durch je zwei Schlitze in den beiden Arenaschmalseiten erfolgt und dadurch das Zweitaktprinzip in der Weise ermöglicht wird, daß auf eine volle Kolbenläufer- oder Abtriebswellenumdrehung vier paarweise Zünd- oder Einspritzphasen und infolgedessen vier doppelte Arbeitstakte entfallen, wodurch die Maschine bereits bei nur einer Statorkammer im Drehmomentenverlauf einem Vierzylinder-Zweitakt-Boxermotor nahekommt.

5. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen i und 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß bei Verwendung von zwei koaxialen-Statorkammern gleicher Größe und gemeinsamer Abtriebswelle sowie einer um 450 versetzten Anordnung der beiden Kolbenläufer der Drehmomentenverlauf fast völlig ausgeglichen ist, wodurch besonders günstige Voraussetzungen für die Nutzung der Maschine als Fahrzeug-, Flugzeug- oder Hubschraubersotor geschaffen werden.

6. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen i bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Versorgung des Kolbenläufer-Innenraumes sowie der Gelenke mit Schmier-und Kühlflüssigkeit durch eine axiale und mehrere radiale Bohrungen in der Abtriebswelle erfolgt und der Kreislauf des flüssigen Mediums bei Anwendung zweier gleichgerichteter Federventile im Bereich der beiden Abtriebswellenenden infolge der periodischen Pumpwirkung des Gelenkläufer-Innenraumes selbsttätig bewerkstelligt wird.

7. Drehkolbenmaschine nach den Ansprüchen l und 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aufrnd ihrer einfachen Bauweise und ihres besonders günstigen Drehmomenterih-' verlaufes vorteilhaft als Flugzeug- oder Hubschrauberdieselmotor mit besonders niedrigem Leistungsg-ewicht verwendet werden kann.

8. Drehkolbenmäschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dädurcff g e k e n n z e i c h n e t , dass das Prinzip des mittelachsigen Kolbenläufers mit hantengelenken auch mit einem Fünfplattenläufer oder mit einem doppelgelenkigen, also einem ungleichseitigen Sechseck entsprechenden Dreiplattenläufer verwirklicht werden kann, beide Varianten jedoch Nachteile gegenüber dem erfindungsgemässen Rhombenläufer aufweisen.

9. lArehkolbenmasclline nach den Ansprüchen l bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass sie bei Verwendung als Otto-Motor vorteilhaft mit doppelten Zündlrerzen bestückt wird, lrodllrcll sich der Verbrennungsablauf verbessert und die Gefahr von Fehlzündungen weitgehend entfällt.

10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch i, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t w daß bei gleichmäßiger Verlegung der plattenseitigen Gelenkzentren der Stützspeichen aus der Verbindungslinie der Kantengelenke des Rhombenläufers in Richtung der Arenakontur eine Aufteilung der koaxialen Anlenkung der Stützspeichen an die Abtriebswelle auf vier separate, kraftschlüssig mit der Abtriebswelle verbundene, Gelenke ermöglicht wird, deren Zentren Eckpunkte eines zentralen, gegenüber der Läuferkontur um 450 verschwenkten, Quadrates darstellen, und auf diese Weise alle vier Stützspeichen gemeinsam die Aufgabe der Antriebsspeichen zusätzlich übernehmen.