DE2450418A1

DE2450418A1 - Drehkolbenmaschine

Info

Publication number: DE2450418A1
Application number: DE19742450418
Authority: DE
Inventors: Herbert L Gray
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1973-11-08
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DD117510A5; FR2250892A1; GB1486946A; JPS5821082B2; BR7408956D0; FR2250892B3; CH583847A5; CS193508B2; SE7414088L; JPS5074009A; IN142894B; ES431762A1; AU7438674A; US3884600A; CA1016870A; GB1486947A; IT1023096B

Description

Hem·, 8000 München 40,

erelllgrathstraSe 18 ΠΙ..ΙΙ-— DUB^U« Eisenscher Straße

uipi.· ing. R. H. «an*¹

Dipl.-PhyS. Eduard B3tZler Fernsprecher: 3βΜ11

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Telegrammanschrlft: TelBgrammanschrlft: Bahrpatente Harne PATENTANWÄLTE Babetzpat Mönchen Telex 08220853 Telex5215380

Γ "^l24^C5nZi1fi Bankkonten:

A. *t κ/ U H· IO Bayerische Vereinsbank München »52

Dretdner Bank AQ Herne 7-520 Postscheckkonto Dortmund 558 68-467

Ref.: MO 4940 B/St In der Antwort bitte angeben

Zuschrift bitte nach:

München

Herbert L. Gray ²²' Oktober 1974 54 Main Street Milton. Ontario Canada

Drehkolbenmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Drehkolbenmaschinen, die entweder als Kraftmaschinen oder als Kompressoren verwendet werden können.

Unter der großen Anzahl von Drehkolbenmaschinen, die bis jetzt bekanntgeworden sind, hat sich nur die unter dem Namen "Wankel"-Drehkolbenmaschine durchgesetzt, die beispielsweise in der US-PS 2 988 065 und in dem Buch "The Wankel Engine" von Jan P, Norbye, veröffentlicht 1971 durch Chelton Book Co., Library of Congress Catalogue Card No: 73-161624 beschrieben wird.

Eine übliche Wankel-Drehkolbenmaschine enthält einen oder mehrere, dreizahnige, dreieckigen Querschnitt aufweisende Drehkolben, die jeweils für eine Orbitalbewegung innerhalb eines zweizahnigen, epitrochoidalen Querschnitt aufweisenden Kammer im.Maschinengehäuse

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montiert sind. Der Drehkolben läuft frei mit Hilfe eines dazwischen gesetzten Lagers auf einem Exzenterteil einer Hauptausgangswelle. Diese exzentrische Lagerung ist wesentlich, damit der Drehkolben das notwendige Drehmoment auf die Welle ausüben kann. Andere Zahnkombinationen sind theoretisch möglich, jedoch scheint die oben angegebene die heute universal angenommene Konstruktion zu sein.

Wegen der exzentrischen Lagerung des Drehkolbens bewegt sich dieser innerhalb der Kammer auf einer Kreisbahn, die als eine Kombination einer kreisförmigen und pulsierenden Bewegung des Drehkolbens angesprochen werden kann.

Die Drehung des Drehkolbens auf seinem Lager muß genau mit seiner Bewegung in der Kammer in der Phase abgestimmt sein, um eine Vielzahl von Arbeitskammern zu schaffen, deren Volumen sich in der gewünschten Weise bei der Relativdrehung zwischen Drehkolben und Kammer ändert. Die übliche Praxis bei Wankelmaschinen gemäß der oben erwähnten Veröffentlichung über Wankelmotoren besteht darin, die nötige Phasenbeziehung mit Hilfe eines mit Innenzähnen versehenen Zahnkranzes vorzusehen, der starr auf dem Drehkolben montiert ist und mit einem Reaktionsritzel kämmt, das starr am Gehäuse befestigt ist. Bei dieser allgemein angenommenen Zahngestaltung muß, wenn der Zahnkranz 72 Zähne aufweist, das Reaktionsritzel 48 Zähne besitzen, um zwischen ihnen ein Verhältnis von 3:2 zu erhalten.

Unter den bei Wankelmaschinen besonders auftretenden Problemen befindet sich das der Kühlung des Drehkolbens. Die hierfür häufig gewählte Lösung besteht darin, einen Wärmeübergang auf einen äußeren Radiator mit Hilfe eir^r gesteuerten Druckziriuilation von öl zu dem und von

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dem Drehkolben zu schaffen. Eine Anordnung zur Umwälzung von Kühlöl im Drehkolben ist in der US-PS 3 102 683 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird das Öl einer Kammer innerhalb des Drehkolbens zugeführt, wo es die gewünschte Kühlfunktion ausübt. Das öl wird durch Zentrifugalkräfte über die Innenoberfläche dieser Kammer in Form eines Filmes verteilt und aus der Kammer abgezogen, während die Filmdicke auf einem konstanten Wert durch eine feststehende Scheibe gehalten wird, die sich in die Kammer erstreckt. Die Form des Scheibenumfangs entspricht der Figur, die durch die das Öl aufnehmende Drehkolbenkammer überstrichen wird, wobei Einrichtungen vorgesehen sind, um die ölfilmstärke aufrecht zu erhalten. Die Scheibe weist radial verlaufende Kanäle mit Öffnungen zur Aufnahme des Öles auf, so daß das Öl durch die Öffnungen in die Kanäle gefördert und zu einem anderen Teil der Maschine, beispielsweise dem Gehäuse und/oder einem Kühler geführt wird.

Ein anderes Problem bei Drehkolbenmaschinen der oben erwähnten Art, beispielsweise nach der US-PS 2 988 065, besteht darin, daß der Winkel zwischen der Drehkolbenscheitelabdichtung und der epitrochoidalen Körperoberfläche, die die Scheitel berühren müssen, geringer als 40° sein muß, wenn nicht die Gefahr eines Verklemmens der Dichtungen zwischen Drehkolben und dieser Oberfläche auftreten soll. In dem erwähnten Buch wird der Wert vorzugsweise mit 30° angegeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Drehkolbenmaschine der angegebenen Art mit einem dreizahnigen Drehkolben von dreieckförmigem Querschnitt, der in einer zweizahnigen Kaer mit epitrochoidalem Querschnitt arbeitet.

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Insbesondere richtet sich die Erfindung auf eine Drehkolbenmaschine der angegebenen Art mit einer neuen Einrichtung, um den Drehkolben in einer genau in der Phase abgestimmten Orbitalbewegung innerhalb der Kammer zu halten. Durch die Erfindung soll ferner eine neue Drehkolbenmaschine mit einer Innenkammer mit einem K-Wert von ca. 5 geschaffen werden. Außerdem erstrebt die Erfindung die Schaffung einer neuartigen Drehkolbenscheitelabdichtung für die Verwendung in einer Drehkolbenmaschine oder -pumpe.

Durch die Erfindung wird eine Drehkolbenmaschine mit einem Gehäus e, einem drehbar um eine entsprechende Achse im Gehäuse montierten Welle geschaffen, wobei das Gehäuse eine Innenkammer mit einer inneren Umfangsflache von zweizahnigem epitrochoidalem Querschnitt senkrecht und symmetrisch zu der Wellenachse aufweist, ein dreizahniger Drehkolben von dreieckigem Querschnitt innerhalb der Kammer angeordnet ist, und um eine Achse umläuft, die parallel zur Wellenachse, jedoch dagegen versetzt ist, eine Exzentereinrichtung die Welle und den Drehkolben verbindet, um die Drehbewegung zwischen ihnen zu übertragen, der Drehkolben symmetrisch bezüglich seiner eigenen Achse angeordnet ist und drei über den Umfang verteilte Scheitelteile in Dichteingriff mit der Kammerinnenoberfläche aufweist, so daß drei Arbeitskammern zwischen der Drehkolbenaußenumfangsfläche und der Kammerfläche entstehen, deren Volumen sich bei der entsprechenden Relativdrehung zwischen Rotor und Kammer ändert, wobei ferner Führungseinrichtungen für die Führung des Drehkolbens in der gewünschten Bewegung relativ zum Gehäuse vorgesehen sind, dadurch verbessert, daß erfindungsgemäß eine erste im wesentlichen dreieckige Führungsfläche vorhanden ist, die mit dem Drehkolben umläuft, symmetrisch bezüglich der Drehkolbenachse und parallel zu ihr angeordnet ist, während eine zweite Führungsfläche mit dem Gehäuse symmetrisch um die Wellenachse und parallel zur Wellenachse umläuft und

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die Führungsflächen in relativem Gleiteingriff miteinander stehen, wobei die zweite Führungsfläche eine Ovalform besitzt, die durch die erste Führungsfläche in ihrer gewünschten Relativbewegung erzeugt ist und Haupt- und Nebenachsen aufweist, die parallel bezüglich der Neben- und Hauptachsen der inneren Gehäuseoberfläche verlaufen.

Vorzugsweise weist die Innenkammer bei der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine einen K-Wert von 5 auf.

Als Abdichtung zwischen einem entsprechenden Scheitelteil und der Kammerinnenoberfläche kann man zwei sich in Achsrichtung erstreckende, aneinander anschlagende Abdichtglieder verwenden, die in entsprechenden axial verlaufenden Schlitzen im Scheitelteil montiert sind.

Im folgenden soll unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

Die Zeichnungen zeigen in

Fig. 1 eine,perspektivisch gezeichnete, auseinandergezogene Ansicht einer Drehkolbenmaschine, die sowohl als Motor als auch als Pumpe verwendbar ist;

Fig. 2 bis 5 schematische Schnitte senkrecht zur Achse der Maschine zur Wiedergabe der verschiedenen Stellungen, die der Drehkolben bezüglich der ihn aufnehmenden Kammer einnehmen kann, bzw. der entsprechenden Stellungen relativ zu den die Führungsmittel bildenden Gliedern;

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 der Fig. 2 unter Wiedergabe der Maschine im zusammengebauten Zustand;

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Fig. 7 einen Schnitt durch einen der Drehkolbenscheitel senkrecht zur Drehachse des Drehkolbens zur Wiedergabe einer Konstruktionseinzelheit der beim Drehkolben verwendeten Scheitelabdichtungen;

Fig. 8 und 9 schematische Darstellungen der inneren epitrochoidalen Bahnen zur Wiedergabe bestimmter Grenzen in der Geometrie der anwendbaren Bahnen; und in

Fig. 10 bis 16 graphische Darstellungen zum Vergleich der Merkmale bekannter Drehkolbenmaschinen mit denjenigen» die sich unter Verwendung der Erfindung bauen lassen.

Die schematisch als besonders bevorzugte Ausführungsform wiedergegebene Drehkolbenmaschine kann entweder als Antriebsmaschine oder als Kompressor verwendet werden und abhängig von ihrem besonderen Anwendungsgebiet sind dazu bestimmte zusätzliche Einrichtungen, beispielsweise ein Vergaser, ein ölkühler usw. erforderlich, deren Beschreibung weggelassen ist, da sie für das Verständnis der Erfindung nicht erforderlich sind. Sie sind dem Fachmann außerdem bekannt.

Die dargestellte Maschine enthält ein Außengehäuse 10, das von einer ümfangswand 12 und zwei Abschlußplatten 14 und 16 gebildet ist, die an der Ümfangswand durch beispielsweise durchgehende Schraubbolzen 17 befestigt sind. Das Gehäuse umschließt eine Innenkammer 18, deren Innenumfangsfläche 20 symmetrisch zu einer Mittellängsachse 22 verläuft und einen zweizahnigen epitrochoidalen Querschnitt senkrecht zur Achse 22 aufweist. Die Lager 24 in den Abschlußplatten 14, 16 nehmen eine Hauptwelle 26 auf, die um eine mit der Achse 22 zusammenfallende

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Achse umlaufen kann. Die Hauptwelle ist mit einem Exzenter 28 versehen, der einstückig mit der Hauptwelle 26 ausgebildet oder an ihr starr befestigt ist. Dieser Exzenter 28 weist einen kreisförmigen Querschnitt senkrecht zu einer Längsachse 30 auf, die parallel zur Achse 22 undim Abstand r davon (Fig. 6) verläuft. Dieser Abstand r ist die effektive Exzentrizität der Maschine.

Ein dreizahniger Drehkolben 32 ist mittels eines Lagers frei drehbar auf dem Exzenter 28 montiert, so daß er eine "Orbital"- oder "Planeten"-Bewegung innerhalb der Kammer 18 ausführen kann, wenn die Welle 26 umläuft. Der Drehkolben 32 weist hypotrochoidalen Querschnitt auf, dessen Außenumfang durch drei Seitenwände 36 gebildet ist, die sich in drei entsprechenden Scheiteln 38 treffen, wobei jeder Scheitel mit einer entsprechenden Scheiteldichtung 40 versehen ist. Die Dichtungen sind in den Fig. 2 bis 6 zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Der Außenumfang des Drehkolbens weist im allgemeinen gleichseitidreieckigen Querschnitt in einer Ebene senkrecht zur Achse 30 und symmetrisch bezüglich dieser Achse auf, wobei jedoch die Seitenwände 36 radial etwas nach außen gebogen sind und nicht geradlinig verlaufen. Das Arbeitsmedium kann in den nicht vom Drehkolben 32 besetzten Teil der Kammer „18 über einen Einlaß 42 in der Abschlußplatte 14 eintreten und über einen Auslaß 43 in der Abschlußplatte 14 abgezogen werden. Die wiedergegebene Ausführungsform enthält ferner eine Zündvorrichtung 44, die in einer entsprechenden Öffnung 45 montiert ist, obwohl auch andere Ausführungsformen einer solchen Vorrichtung oder andere Zündeinrichtungen, beispielsweise bei Verwendung der Vorrichtung als Dieselmaschine, verwendet werden können. Eine solche Vorrichtung ist selbstverständlich nicht erforderlich, wenn die Maschine als Pumpe arbeiten soll.

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Die soweit beschriebene Anordnung entspricht der Grundkonstruktion einer "Wankel"-Drehkolbenmaschine. Wenn sich der Drehkolben auf seiner Orbitalbahn bewegt, werden Arbeitskammern zwischen den Wänden 20 und 36 gebildet, deren Volumen sich zyklisch ändert. Die Arbeitsweise einer solchen Vorrichtung entweder als Antriebsmaschine oder als Kompressor ist bekannt, so daß sie nicht näher erläutert zu werden braucht. Bei einer "Wankel"-Drehkolbenmaschine sind jedoch der Drehkolben und die Hauptwelle mit einem innen gezahnten Zahnring bzw. mit einem außen gezahnten Zahnritzel versehen, die miteinander in Eingriff stehen, wobei der Zahnritzel an der Abschlußplatte koaxial mit der Hauptwelle und diese umgebend befestigt ist und dazu dient, die Lage des Drehkolbens bezüglich der inneren Umfangsfläche 20 in Phase zu bringen oder auszurichten, wenn sich der Drehkolben auf seiner Orbitalbahn bewegt.

Dieses Getriebe hat die Wirkung, den Massenmittelpunkt des Drehkolbens in einer Kreisbahn vom Radius r in Um-

lauf zu versetzen und die mittlere Winkelgeschwindigkeit der Drehkolbenscheitel zu verdoppeln, wobei es gegen die Trägheitskräfte des Drehkolbens entgegenwirkt und damit die "Einstell"-Belastung aufnimmt, die sonst auf die. Scheitelteile des Drehkolbens aufgebracht würde.

Bei einer Maschine gemäß der Erfindung wird die notwendige "Führungsverbindung" zwischen dem Drehkolben und dem Gehäuse 10 zur Sicherstellung, daß der Drehkolben in der gewünschten Bewegung relativ zum Gehäuse geführt ist, durch zwei kontinuierlich frei relativ gegeneinander gleitende Führungsflächen 46 und 48 auf dem Gehäuse bzw. am Drehkolben hergestellt. Bei der wiedergegebenen Ausführungsform ist die Drehkolbenführungsflache 48 durch den Innenumfang einer Ausnehmung 50 in einer SeitBnwand des Drehkolbens gebildet,

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während die Gehäuseführungsfläche 46 durch den Außenumfang eines Kernführungsgliedes 52 gebildet ist, das auf der Abschlußplatte 14 befestigt ist und in die Ausnehmung vorragt. Die Führungsflächen 46 und 48 sind bezüglich ihrer entsprechenden Achsen symmetrisch und eine von ihnen muß die Minimalbegrenzungsfigur sein, die von der anderen in der gewünschten Orbitalbewegung des Drehkolbens innerhalb des Gehäuses umschrieben wird. Es ist ferner eine wesentliche Voraussetzung, daß eine der Führungsflächen so geformt ist, daß sie einer besonderen mathematischen Kurve entspricht, die zu einer zweizahnigen ovalartigen Form für diese FUhrungsflache führt, so daß die beiden zusammenwirkenden Führungsflächen so zusammenarbeiten, daß die erforderliche Hemmung und Führung zwischen den relativ zueinander beweglichen Teilen gegeben ist.

Die innere Führungsfläche 48 des Drehkolbens weist die Form eines gleichseitigen Dreiecks innerhalb der Form des Drehkplbenaußenumfangs auf. Es hat sich dann herausgestellt, daß die entsprechende zweite ovale Führungsfläche 46 des Kernführungsgliedes 52 am Gehäuse 10 mit ihren Haupt- und Nebenachsen parallel zu den Neben- bzw. Hauptachsen der epitrochoidalen Gehäuseumfangswand 12 verlaufen muß und als Nocke wirkt, wie später noch näher erläutert werden soll. Es sind ferner nicht gezeichnete Seitendichtungen vorgesehen, die mit den Scheiteldichtungen zusammenwirken, um die im Volumen veränderlichen Arbeitskammern gegeneinander und vom Rest der Kammer abzudichten. Die Ausführung solcher Seitendichtungen ist dem Fachmann an sich bekannt.

Eine der Ausnehmung 50 ähnliche Ausnehmung 51 ist in der anderen Drehkolbenseitenwandung aus Ausgleichsgründen vor-

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gesehen, kann jedoch statt dessen oder zusätzlich dazu eine FührungsverMndungsflache bilden.

Die Fig. 2 und 5 zeigen einige der unterschiedlichen Relativstellungen, die vom Drehkolben in der Kammer 18 eingenommen werden (einer der Zähne ist durch einen Punkt gekennzeichnet, so daß seine Bewegung leicht verfolgt werden kann), und die entsprechenden Relativstellungen, die von der Kernfüntungsfläche 46 im Eingriff mit der Drehkolbenführungsoberfläche 48 eingenommen sind. Es ist schwierig, Zeichnungen in diesem kleinen Maßstab herzustellen, die eine Wiedergabe der genauen Beziehung der FUhrungsflächen 46 und 48 ermöglichen, um die entsprechenden Verhältnisse deutlich beobachten zu können, da die erhaltenen Spielräume häufig außerordentlich klein sind. Um die tatsächliche Folge der Vorgänge erläutern zu können, ist der Ausdruck "einstellen" verwendet um anzuzeigen, daß drei Orte auf der Oberfläche 48 in Berührung mit der Oberfläche 46 stehen, während der Ausdruck "führen¹¹ dazu Verwendung findet, um wiederzugeben, daß nur zwei solcher Berührungsflächen tatsächlich vorhanden sind. Auf der Drehkolbenfläche wiedergegebene kleine Kreise sind Indikatoren für Kontaktstellenorte. Somit wird in den entsprechenden Stellungen, die in den Fig. 2 und 5 wiedergegeben sind, wo drei Kontaktpunkte vorhanden sind, der Drehkolben durch "Einstellen" gesteuert, während in allen anderen Stellungen nur zwei Kontaktpunkte vorhanden sind und der Drehkolben durch "Führen" in seiner dynamischen Bewegung gesteuert wird. Bei beiden Steuerungsarten ist die Drehkolbenstabilität erhalten. Da die Form der durchlaufenden Führungsfläche 46 durch die Bewegung der durchlaufenden Führungsfläche 48 bei der erwünschten Bewegung erzeugt ist, wird der Drehkolben dann dazu gezwungen, nur dieser Bewegung zu folgen, was in einer geordneten Folge

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einer entsprechenden Gleitbewegung zwischen den beiden in Eingriff stehenden Flächen resultiert, wobei ein Gleiten mit dem Wert Null oder sogar ein gewisser Rücklauf während des Betriebes der Maschine oder des Kompressors möglich ist.

Einer der wesentlichsten Parameter, die für eine Drehkolbenmaschine dieser Art, auf die sich die Erfindung bezieht, in Betrachtung gezogen werden müssen, ist der sogenannte K-Faktor, bei dem es sich um das Verhältnis 2r^/r_e handelt, wobei 2r^ der maximale Rotorr oder Statoradius und r die Exzentrizität bedeuten. Es läßt sich zeigen, daß die bisher vorgeschlagenen Drehkolbenmaschinen mit K-Werten für die Kammer größer als 6, gewöhnlich ca. 7 gearbeitet haben, während es durch die Erfindung möglich ist, einen K-Wert von vorzugsweise 5 zu erzielen, was zu sehr wesentlichen baulichen Vorteilen führt.

Die Scheiteldichtungen 40 sind erforderlich, um die notwendige Abdichtung unter den außerordentlich harten Arbeitsbedingungen in einer Drehkolbenmaschine erhalten und die Entwicklung solcher Dichtungen ist bei der Herstellung einer brauchbaren Maschine von ausschlaggebender Bedeutung.

Das Problem der Entwicklung einer Maschine mit einem annehmbaren Scheitelabdichtungswinkel wurde bereits oben angesprochen. Dieses Problem wird noch wichtiger bei der Reduktion des K-Wertes der Kammer, wobei es besonders schwierig zu lösen ist für K-Werte unter 7.

Fig. 7 zeigt im Querschnitt eine besonders vorteilhafte Abdichtung, wobei zwei sich in Achsrichtung erstreckende Dichtglieder 54, die bumerangförmigen Querschnitt aufweisen, mit zwei konvexen, aneinander anstossende Flächen versehen sind, wobei entsprechende äußere Abschlußteile

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sich radial vom Drehkolben erstrecken und entsprechende innere Abschlußteile in einen entsprechenden, sich in Achsrichtung erstreckenden Längsschlitz 56 eingreifen. Die innerste Kante jedes Gliedes 54 ist mit einer geeigneten Gasdichtung 57 versehen. Gasführungskanäle 58 führen von einer öffnung 59 in der entsprechenden Drehkolbenfläche 36 zum Boden des ^!lGegen"-Schlitzes.

Nimmt man beispielsweise an, daß sich der Drehkolben im Uhrzeigersinn nach Fig. 2 dreht, dann ist die Seitenwand 36 die "vorlaufende" Fläche bezüglich der zugeordneten Dichtung. Das unter Druck stehende Gas in der entsprechenden Kammer strömt durch den entsprechenden Kanal 58a in den angeschlossenen Schlitz 56a und drückt das Dichtglied 54a in seinem Schlitz radial nach außen in solcher Richtung, daß der "anliegende Winkel", d.h. der Neigungswinkel des Dichtgliedes bezüglich der Gehäusewandung, einen vorbestimmten Wert aufweist. Nimmt man an, daß die Gase an der Seitenwand 36a die expandierten Zündgase sind, dann werden, wenn die Dichtung über die Kuppe der epitrochoidalen Gehäuseinnenwand läuft, die Gase nunmehr aus dem Kanal 58a durch den Maschinenauspuff ausgestossen werden, während unter Druck gesetztes Gas durch den Kanal 56b aufgegeben wird und damit die Richtung der Gaswirkung auf die Dichtung sich umkehrt.

In der US-PS 2 988 065 ist angegeben, daß der gewünschte Scheiteldichtwinkel kleiner als 40° sein soll, während Norbye in der oben angegebenen Literaturstelle darauf hinweist, daß eine praktische obere Grenze bei 30° liegt, Es läßt sich zeigen, daß eine Drehkolbenmaschine mit einem Kammerwert K = 5 eine einzelne senkrechte Abdichtung einen maximalen Anlehnungswinkel von ca. 37° hat. Eine Abdichtung in Übereinstimmung mit der Erfindung arbeitet mit Winkeln nicht über 22°.

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Die Dichtung wird automatisch mit Hilfe eines Kugelventils 60 geschmiert, das in einer Radialbohrung 62 arbeitet und diese mit einem Raum 64 zwischen den aneinander anstossenden Dichtgliederflächen und der Innenfläche 66 des Drehkolben verbindet. Während eines Teiles der Drehkolbenbewegung wirken Zentrifugalkräfte und drücken das Öl durch den Kanal über das offene Kugelventil in den Raum 64 und dann zwischen die Dichtglieder 54. Bei Umkehr der Krafteinwirkung während eines anderen Teiles der Bewegung schließt das Kugelventil und verhindert einen Austritt des Öls aus dem Raum 64.

Im Interesse einer gesunden Basis für den Vergleich der erfindungsgemäßen Führungen mit bekannten Einrichtungen ist es notwendig, die mathematischen Grundsätze zu betrachten, die jeweils gelten.

Es ist möglich, ein Mißverständnis zu vermeiden, welches auftritt, wenn unterschiedliche K-Faktoren für die Auslegung der Führungsmittel und für die Festlegung der Größe des Drehkolbens verwendet werden. Die Analyse ist nicht weniger allgemein in ihren Schlüssen durch Anlegen der vereinfachenden Bedingung, daß der gleiche K-Faktor anzuwenden ist.

Die Geometrie der Epitrochoide wird im Buch von Norbye herausgearbeitet und seine Feststellung des notwendigen Verhältnisses des Zahnkranzes zu dem Reaktionszahnrad von 3:2 wurde auch bereits früher erwähnt. Durch geometrische Konstruktion weist der Zahnkranz einen Radius von r^ und das Reaktionszahnrad einen Radius von i\|. - r_e auf und die entsprechenden Beziehungen führen zu der GIs ichung:

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3^ = 2Cr₁ - r_e)

Bei einem dreizahnigen Drehkolben auf der Basis eines gleichschenkligen Dreiecks muß die Länge des längsten Radius immer das Doppelte des kürzesten Radius r,. sein und da K = Zv^jv ist, ergibt sich, daß K = 6.

Eine Forderung, die in der Praxis aufgestellt werden muß, ist in den Fig. 8 und 9 wiedergegeben, wo die inneren epitrochoidalen Bahnen wiedergegeben sind, die durch den kurzen Radius des Drehkolbendreiecks an der Schnittstelle mit dem Mittelpunkt einer Seite des Drehkolbendreiecks für verschiedene Verhältnisse von a und b wiedergegeben sind, wobei a die Hauptachse und b die kleine Achse bezeichnen. Bei den zum Stande der Technik gehörenden Zahnradeinstelleinrichtungen kann eine Umkehr der Bewegung, wie sie in Fig. 7 wiedergegeben ist, nicht auftreten, da dies einen Rücklauf des Ritzels in seinem Eingriff mit dem Zahnkranz bedeuten würde, was zu einem Verklemmen oder sogar Abbrechen der Zähne führen würde. Die in Fig. 8 wiedergegebene Bewegung ist dami eine begrenzende Bedingung für einen "Wankel"-Motor, woraus sich die zufriedenzustellende Bedingung bei dem Entwurf von Zahnkranz und Ritzel ergibt, da ja

a/b = Cr₁ + T₆)Ar₁ - r_e) = 2,

worin wieder der Wert von r = r^/3, wie oben angegeben

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Die epitrochoidale Bahn des erzeugenden Punktes auf dem Umfang des Zahnkranzes ist in Fig. 8 wiedergegeben, wo eine einfache Kuppe an jedem Ende der kurzen Achse erscheint und eine Winkeländerung bei der Bewegung, jedoch nicht eine rückläufige Bewegung wiedergibt. Somit wird die mathematische Lösung durch die physikalische Unmöglichkeit bestätigt, daß eine solche Umkehr an der Stelle des Eingriffes der Zahnräder auftritt. Hat man den tatsächlichen K-Faktor für übliche Führungsmittel erhalten, dann ist es möglich, Lösungen für alle vorgeschlagenen Auslegungsanwendungen zu finden. Beispielsweise arbeitet man zur Zeit bei Drehkolbenmaschinen mit einem K-Faktor, der gewöhnlich bei ca. 7 liegt, bezüglich des epitrochoidalen Körpers, während das Führungssystem in seiner Größe verringert wird, um den wirksamen K-Faktor gleich 6 zu machen.

Dieses Problem tritt nicht bei einem Führungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung auf, da der Eingriff zwischen den Führungsgliedern durch Gleitoberflächeneingriff erfolgt, welcher eine gewisse rückläufige Bewegung ermöglicht, wie sie in der Kurve nach Fig. 8 wiedergegeben ist. Es ist deshalb möglich, eine Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem K-Wert unter 6 zu konstruieren, was bereits einen wesentlichen Konstruktionsvorteil bedeutet.

Eine Analyse von Drehkolbenmaschinen, wie sie derzeit im Handel erhältlich sind, zeigt, daß alle einen K-Faktor für die epitrochoidale Kammer größer als 6 aufweisen, während die Werte, die sich durch die Erfindung erreichen lassen, bei einem K-Faktor zwischen 6,73 bis 7,14 liegen. Man glaubt bis jetzt, daß ein vernünftiger Grund dafür darin liegt, daß, wie durch Fig. 9 wiedergegeben, ein K-Faktor von 6 einen singulären oder einzigartigen Wert für die normalerweise allgemein verwendeten dreizahnigen

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Drehkolben und zweizahnigen Statoren oder Gehäuse darstellt, welche eine stationäre oder wenigstens allgemein stationäre Relativbewegung zwischen Rotor und Stator an zwei Punkten bei jeder Drehung des Rotors beinhalten. Diese theoretische Beobachtung stimmt mit der praktischen Beobachtung überein, daß bei Abnahme des K-Fäktors in Richtung des Wertes 6 die Neigung für den Rotor besteht zu flattern oder zu schlagen, was zu einer schweren Instabilität bei seiner Bewegung führt. Es läßt sich zeigen, daß für einen K-Wert von 6 die stationäre Periode oder die Periode annähernd stationärer Bewegung über einen Winkel von 10° erstreckt werden kann. Ein praktisches Ergebnis dieser besonderen Flatter-Instabilität ist neben dem nachteiligen Geräusch, der Schwingung und der möglichen Beschädigung der Lager das Zusammenbrechen des Schmierölfilmes auf der Statoroberfläche und das anschließende Abschleifen und die schwere Beschädigung der Statoroberfläche.

Eine Prüfung der Fig. 8 zeigt, daß, obwohl es zwei Umkehrungen der Bewegung bei jedem Umlauf gibt, diese keine unmittelbare instabilen singulären Orte darstellen, sondern die Bewegung stattdessen glatt und fortschreitend vollzogen wird. Wie oben erwähnt, kann die bisherige Zahnradführung nicht bei K-Werten anders als 6 funktionieren und es war deshalb mit solchen Maschinen nie möglich, über diesen hoch instabilen Wert zu dem stabileren Wert von 5 zu kommen.

Die in den Fig. 2 bis 5 wiedergegebene Vorrichtung hat einen K-Wert von 5 für den Stator. Wie beschrieben, zeigen die kleinen Kreise die Kontaktorte für die Führungsflächen für diesen Wert. Wie oben erläutert, wird, obwohl der Drehkolben nur an zwei Stellen eingestellt wird, wobei die Stellen diejenigen sind, an denen sich die Umkehr der Bewegung

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vollzieht, und an allen anderen Stellungen geführt ist, die Drehkolbenstabilität während des gesamten Zyklus jedes Umlaufs sichergestellt. Wenn der Wert von K = 6 oder größer ist, dann ist der Drehkolben in allen Stellungen eingestellt.

Bei einer allgemeinen Konstruktion gemäß der vorliegenden Erfindung kann man jeden Wert des K-Faktors innerhalb des Bereiches von K =oo bis K = 5 erreichen, wobei man vor- ' zugsweise den offenbar singulären instabilen Wert von 6 vermeidet. Aus praktischen Erwägungen wird die Nutzleistung auf einen begrenzten Bereich konzentriert, in welchem K nicht größer als 10 ist. Auch aus praktischen Gründen muß die Aufrechterhaltung eines stabilen Laufes oder einer stabilen Bewegung gesichert sein. Aus den Fig. 2 und 5 kann man erkennen, daß es ein Maximum von drei Berührungspunkten zwischen den umlaufenden und den festen Oberflächen gibt. Die Lagen des Drehkolbens zeigen die extremen Endpunkte der festen Führungsfläche sowie einen Punkt auf der kürzesten Achse, die in gleichzeitigem Kontakt mit den Oberflächen sind. Es kann darauf hingewiesen werden, daß dieser Zustand einer exakten Einstellfunktion auf dem Führungssystem entspricht, der erforderlich ist, um die Stabilität zu bewahren. Ein Grenzwert für K für die erfindungsgemäße Maschine wird erhalten durch Lösung der allgemeinen Gleichung für die Kernführungsfläche mit dem Drehkolben in der Stellung nach Fig. 2 oder 5. Die bekannten Beziehungen sind, daß bei 0 «=⁽IÜ/3 der Wert von χ = 0, wobei χ die Abszisse darstellt. Die Gleichung ist χ = Qk - 4) + 2 cos 2 02 ( T₁ cos 0) (1/K) und 0 = K - 4 - 1
und damit K = 5«

In gleicher Weise kann abgeleitet werden, daß die Stabilität im Hinblick auf die Natur der allgemeinen Gleichung ebenfalls

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j ΝΑΟ

ΝΑΟΗβΕΚΕΙΟΚΓ

für alle anderen Stellungen innerhalb der angegebenen Grenzen aufrecht erhalten werden kann, nämlich daß (1) die Kurve eine stetige Funktion zwischen den Enden ihrer Hauptachsen ist; (2) keine singulären Punkte oder Umkehrpunkte zwischen diesen Grenzen aufweist; und (3) symmetrisch zu ihrer Hauptachse ist. Für den Drehkolben läßt sich zeigen, daß er ein ausgeglichenes Verhältnis von dynamischer und mechanischer Stabilität aufweist, da die Bahn des Schwerpunktes des Drehkolbens eine gleichmäßige Kreisbewegung unter kontinuierlicher Überwachung der beiden gegenüberliegenden Oberflächen ist, die die Führung mit mechanischer Genauigkeit liefern.

Der Effekt dieser möglichen Reduktion im K-Faktor ist in den Fig. 10 bis 16 wiedergegeben. Diese Figuren zeigen graphische Darstellungen von Berechnungen für Viertaktbrennkraftmaschinen mit Faktoren K = 5 bis K = 7. In jedem Falle sind die folgenden Grenzen benutzt, um einen unmittelbaren Vergleich zu ermöglichen:

a) Das Kompressionsverhältnis ist 10 und damit konstant

b) der Drehkolben wird gemessen als gleichschenkliges Dreieck mit Seiten 2R » zJföv^

c) der kurze Drehkolbenradius ist r..

d) der lange Drehkolbenradius ist 2r₁

e) der Exzentrizitätsradius r. in Werten von K ist 2r₄/K

f) die Drehkolbenbreite unterliegt der Wahl des Konstrukteurs, jedoch ist im gewählten Beispiel der besondere Wert festgelegt als 3r_e = 6r^/K

g) Zylinderinhalt oder verdrängtes Volumen = Vg_{1 Q} h) Volumen der Kammer 18 = absolutes Volumen V_T i) Gleichung für V_T - 24¹ICr₁ ³ZK³CK² + 3)

3) Gleichung für V_D10 = 8OtTr₁ ³ZK²

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Fig. 10 zeigt die Zunahme der Drehkolbenoberfläche und des Arbeitshubs, die beide Funktionen von K sind, bei Abnahme von K, während Fig. 11 die Zunahme des verdrängten Volumens oder Zylinderinhalts V_D1Q des Drehkolbens (gleich dem ZyIinderinhalt in einer Kolbenkraftmaschine) wiedergibt, und zwar im Vergleich zur Zunahme im gesamt verfügbaren Volumen in der epitrochoidalen Kammer 18. Fig. kombiniert die Ergebnisse der Fig. 10 und 11 und zeigt, daß tirei Drehkolben von K = 5 den gleichen Ausgang liefern wie vier Drehkolben von K= 7.

Die Fig. 13 bis 16 zeigen den erwarteten Betrieb der Maschinen von gleicher Größe jedoch mit unterschiedlichen K-Faktoren. Fig. 13 zeigt den Wert von V_T, der in diesem Ausführungsbeispiel eine Konstante ist, die Belastungsfaktoren, die Reibung erzeugen (die sich als V_d<.q entsprechend herausgestellt haben) und die entsprechenden Radien der umlaufenden Teile. Fig. 15 ist eine Graphik des Hauptleistungsfaktors und der Wert V_D1Q ist ein Maß dafür, da das Kompressionsverhältnis konstant ist. Fig. 15 zeigt die Reibungskraftverluste berechnet unter Verwendung der Faktoren der Fig. 11 und dem reinen Leistungsfaktor N, der das Ergebnis der Subtraktion des Reibungsleistungsfaktors von der Hauptleistung ist. Man erkennt, daß N bei K = 7 den relativen Wert von 1.0 hat, während bei K - 5 der Wert von N zu 1,6 wird, so daß auf dieser Basis zwei Drehkolben mit K = 5 die gleiche Nettoausgangsleistung wie drei Drehkolben K = 7 aufweisen. Der Wirkungsgradfaktor einer Maschine ist eine Anzeige für die Leistung, die man von äner Einheit Brennstoff erhalten kann und wird ausgedrückt durch das Verhältnis N/V_D10. Eine Graphik für diesen Faktor ist in Fig. 16 wiedergegeben. Der ansteigende Faktor zeigt, daß man wachsende Leistung pro Einheitsgröße der Maschine erhält, wenn K von 7 auf 5 abnimmt.

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Im Augenblick ist nichts über eine Diskussion des Problems einer angemessenen Leistungsformel bekannt, die als Vergleichsstandard zwischen unterschiedlichen Drehkolbenmaschinen dienen könnte. Dieses Problem weicht ab vom Gegenstand des Vergleichs zwischen Drehkolbenkraftmaschinen und Kolbenmaschinen, welches im einzelnen bereits diskutiert worden ist. Der zunehmende Umfang der Verbesserung bei Drehkolbenmaschinen fordert jedoch eine Standardberechnungsformel, welche als Führung und als Maß für den Fortschritt bei der Entwicklung von Drehkolbenmaschinen dienen kann.

Es ist eine Formel erforderlich zum Messen des Wirkungsgrades der bei einem verfügbaren Volumen für nutzbare Arbeit verwendet werden kann. Es ist ein bemerkenswertes Merkmal einer Maschine gemäß der vorliegenden Erfindung, die einen K-Wert von 5 aufweist, daß im wesentlichen ihr gesamtes Innenvolumen für den Arbeitszyklus zur Verfügung steht, wenn ihr sich bewegenden Teile außer Bedacht gelassen werden. Das gesamte Innenvolumen nennt man aus diesem Grund "absolutes Volumen" und bezeichnet es als Vm. Das Verdrängungsvolumen muß in Rechnung zu den Kompensionsverhältnis (später durch den Buchstaben η bezeichnet) gebracht werden und wird mit ν_β/ \ bezeichnet. Die Anzahl der Kraftimpulse beträgt drei pro Drehkolbenumdrehung. Dann ist das volumetrische absolute Wirkungsgradverhältnis gegeben durch:

Ca = ^3Vp(n) = <ⁿ/ⁿ - ¹) & 1^AC (κ² + 3Ü v_T

Unter Verwendung der oben angegebenen Annahmen und mit "n" =10 ist die Tabulierung des Verhältnisses als Prozentsatz wie folgt:

K = 7 K = 6
74.0 % 84.8

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£_A = 74.0 % 84.8 % 98.5 %

Findet ein Kompressionsverhältnis von 8,8 Verwendung, wenn der K-Faktor 5 beträgt, dann ist 6. = 100 %, was zeigt, daß ein solches Verhältnis theoretisch in einer praktischen Ausführungsform erreichbar ist.

Die Erfindung ist anwendbar auf Einrichtungen, bei denen es sich um Maschinen oder Pumpen handelt, wobei ein Kompressor eine Ausführungsform einer Pumpe darstellt. Bei den Maschinen kann es sich um Maschinen unterschiedlicher Taktzahlen handeln, beispielsweise Zweitakt- bis Viertaktmaschinen ohne oder mit Mehrfachkreislauf oder Vorverdichtung. Man kann mehr als einen Drehkolben auf eine einzelne Welle setzen und man kann solche Einheiten zu mehreren verwenden. Die Maschine kann mit Innen- oder Außenverbrennung arbeiten. Das Führungssystem gemäß der Erfindung läßt sich in Maschinen oder Pumpen zusätzlich zu anderen Systemen verwenden, beispielsweise bei den bekannten Zahnrad-Wankelsystemen, um die Stabilisierung der Bewegung des Drehkolbens zu unterstützen.

Patentansprüche: - 22 -

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Claims

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Patentansprüche

Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse, einer im Gehäuse um eine entsprechende Achse drehbar montierten Welle, mit einer Innenkammer im Gehäuse mit einer Innenoberfläche von zweizahnigem epitrochoidalem Querschnitt senkrecht und symmetrisch zu der Wellenachse, einem dreizahnigen Drehkolben von hypotrochoidalem Querschnitt, der in der Kammer für eine Drehung um eine Achse montiert ist, die versetzt,-aber parallel zu der Wellenachse montiert ist, mit einem Exzenter zur Verbindung der Welle und des Drehkolbens zur Übertragung der Drehbewegung zwischen ihnen, wobei die Drehkolben- und Kammerinnenoberflächen eine Vielzahl von Arbeitskammern bilden, die sich in ihrem Volumen bei einer Relativdrehung zwischen Drehkolben und Kammer ändern, und wobei ferner Führungseinrichtungen zur Führung des Drehkolbens auf seiner richtigen Bewegung relativ zum Gehäuse vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet , daß eine erste im wesentlichen dreieckige Führungsfläche (48) vorhanden ist, die mit dem Drehkolben (32) umläuft, symmetrisch bezüglich der Drehkolbenachse und parallel zu ihr angeordnet ist, während eine zweite Führungsfläche (46) mit dem Gehäuse (10) symmetrisch um die Wellenachse (22) und parallel zu. ihr umläuft und die Führungsflächen (48, 46) in relativem Gleiteingriff miteinander stehen, wobei die zweite Führungsfläche (46) eine Ovalform besitzt, die durch die erste Führungsfläche (48) in ihrer gewünschten Relativbewegung erzeugt ist und Haupt- und Nebenachsen aufweist, die parallel bezüglich der Neben- und Hauptachsen der inneren Gehäuseoberfläche (20) verlaufen.
2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Führungsfläche (48) mit einer Ausnehmung (50) im Drehkolben (32) versehen ist und die zweite Führungsfläche (46) durch ein Führungsglied (52) gebildet ist, das sich in u..a Ausnehmung (50) erstreckt.

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3. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Innenkammer (18) einen K-Wert von ca. 5 aufweist.
4. Drehkolbenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5> dadurch gekennzeichnet , daß eine Abdichtung (40) zwischen einem entsprechenden Scheitelteil des Drehkolbens (32) und der Kammerinnenoberflache (20) vorgesehen ist, die aus zwei sich axial erstreckenden, aneinander anliegenden Dichtgliedern (54a, 54b) besteht, die in entsprechenden sich axial erstreckenden Schlitzen (56a, 56b) im Scheitelteil montiert sind.
5. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung von Arbeitsmedium zu dem vorlaufenden Dichtglied (54b) aus der entsprechenden nachlaufenden Drehkolbenfläche (36b) und zur Zuführung von Arbeitsmittel zu dem nachlaufenden Dichtglied (54a) von der entsprechenden vorlaufenden Drehkolbenfläche (36a), wobei die Zuführung des Mediums zu jedem Dichtglied (54a, 54b) das entsprechende Dichtglied radial nach außen vom Drehkolben (32) in Eingriff mit der Innenumfangsflache (20) der Kammer drückt.
6. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Dichtglieder (54a, 54b) bumerangartige Querschnittsform aufweisen, wobei die konvexen Oberflächen gegeneinander anliegen.
7. Drehkolbenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung eines Schmiermittels zu der Dichtung bestehend aus einer Radialbohrung (62), die vom Drehkolbeninneren zu einem Raum (64) zwischen den aneinander anliegenden Dichtgliedern (54a, 54b) führt und in der ein Kugelventil (60) angeordnet ist, das unter dem Einfluß der auf es wirkenden Zentrifugalkraft öffnet und den Zugang des Schmiermittels zu dem Raum (64) ebenfalls unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft erlaubt und unter dem

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Einfluß der Zentripetalkraft schließt und die Strömung des Schmiermittels aus dem Raum (64) ebenfalls unter dem Einfluß der Zentripetalkraft behindert.
8. Drehkolbenmaschine mit einem Gehäuse mit einer Innenkammer mit einer Innenumfangsflache, in welcher ein gezahnter Drehkolben (32) montiert ist, der eine Vielzahl von über den Umfang im Abstand angeordneten Scheitelteilen in Dichteingriff mit der Kammerinnenumfangsfläche aufweist, wobei eine Dichtung zwischen einem entsprechenden Scheitelteil und der Kammerinnenumfangsfläche vorgesehen ist, gekennzeichnet durch zwei sich in Achsrichtung erstreckenden gegeneinander anliegenden Dichtgliedern (54a, 54b), die in entsprechenden, sich in Achsrichtung erstreckenden S_chlitzen (56a, 56b) im Scheitelteil montiert sind.
9. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen zur Zuführung von Arbeitsmedium zu dem vorlaufenden Dichtglied (54b) aus der entsprechenden nachlaufenden Drehkolbenfläche (36b) und zur Zuführung von Arbeitsmittel zu dem nachlaufenden Dichtglied (54a) von der entsprechenden vorlaufenden Drehkolbenfläche (36a), wobei die Zuführung des Mediums zu jedem Dichtglied (54a, 54b) das entsprechende Dichtglied radial nach außen vom Drehkolben (32) in Eingriff mit der Innenumfangsflache (20) der Kammer drückt.
10. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Dichtglieder (54a, 54b) bumerangartige Querschnittsform aufweisen, wobei die konvexen Oberflächen gegeneinander anliegen.
11. Drehkolbenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche

8 bis 10, gekennzeichnet durch Einrichtungen zur Zuführung eines Schmiermittels zu der Dichtung bestehend aus einer Radialbohrung (62), die vom Drehkolbeninneren zu einem Raum (64) zwischen den aneinander anliegenden Dicht-

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gliedern (54a, 54b) führt und in der ein Kugelventil (60) angeordnet ist, das unter dem Einfluß der auf es wirkenden Zentrifugalkraft öffnet und den Zugang des Schmiermittels zu dem Raum (64) ebenfalls unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft erlaubt und unter dem Einfluß der Zentripetalkraft schließt und die Strömung des Schmiermittels aus dem Raum (64) ebenfalls unter dem Einfluß der Zentripetalkraft behindert.

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