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Verdrängermaschine für kompressible und
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inkompressible Medien Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängermaschine
für kompressible und inkompressible Medien gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Verdrängermaschinen mit einem derartigen Aufbau sind im Prinzip bekannt
(DE-OS 26 03 462, Patentanmeldung P 31 41 525.3). Bei diesen bekannten Verdrängermaschinen
verlaufen jedoch die Verdrängerkammern und damit auch die in diesen gleitenden Verdrängerkörper
spiralförmig, wobei die Krümmung des Verdrängerkörpers so bestimmt ist, daß sich
zwischen dem Verdrängerkörper und den beiden Umfangswänden der Verdrängerkammer
mehrere, etwa sichelförmige Arbeitsräume bilden, die sich während des Antriebs des
Läufers von einem am äußeren Umfang des Gehäuses angeordneten Einlaßraum durch die
Verdrängerkammer hindurch zu einem am inneren Umfang angeordneten Auslaßraum hin
bewegen, wobei das Volumen der eingeschlossenen Arbeitsräume ständigverringert und
dabei der Druck des Arbeitsmittels entsprechend erhöht wird. Die'Vorteile solcher
zwar nur für kompressible Medien aber auch für Aufladezwecke von Brennkraftmaschinen
mit Vorteil heranziehbarer Verdrängermaschinen bestehen in einem einfachen Aufbau
mit nur wenigen Teilen.
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Nachteilig an derartigen als Ladekompressoren verwendeten Verdrängermaschinen
ist jedoch die Tatsache, daß bei einer starren
Antriebsverbindung
mit der Brennkraftmaschine, was schon aus Kostengründen häufig nicht zu umgehen
ist, auch in solchen Betriebszuständen Druckluft gefördert wird, in denen. dies
an sich nicht mehr erforderlich oder sogar, wie beispielsweise bei niedrigen Teillasten
oder im Leerlauf der Brennkraftmaschine, unerwünscht ist. In diesem Yall muß der
unter Aufwendung einer erheblichen Antriebsleistung in der Verdrängermaschine aufgebaute
Druck vor der Brennkraftmaschine durch Drosselung wieder auf das Atmosphärendruckniveau
reduziert werden, wodurch insgesamt gesehen eine erhebliche Verlustleistung verursacht
wird.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, eine
Verdrängermaschine der im Oberbegriff angegebenen Art zu schaffen, die zum einen
die Vorteile dieser Bauart hinsicntlich des einfachen Aufbaus beibehält und die
zum anderen eine Verlustleistungsreduzierung im sogenannten drucklosen Betrieb,
wenn also kein Ladedruck erforderlich ist, ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Erfindungsgemäß wird also anstelle des spiralförmigen Verdrängerkörper- und Verdrängerkammeraufbaus
ein geschlossener ringförmiger Aufbau gewählt, bei dem das in den zwischen dem Verdrängerkörper
und den Umfangswänden der Verdrängerkammer gebildeten Arbeitsräumen eingeschlossene
Arbeitsmittel im wesentlichen ohne eine Volumenveränderung lediglich weitergeschoben
wird. Dabei wird zwischen einem Verdrängerkörper und einer Umfangswand der Verdrängerkammer
jeweils nur ein etwa sichelförmig ausgebildeter Arbeitsraum gebildet, dem je eine
durch einen Trennschieber getrennte Einlaß- und Auslaßöffnung zugeordnet ist. Zur
Vermeidung von Rückströmung weisen die Einlaß- und Auslaßöffnungen vorteilhafterweise
durch Rückschlagventile gebildete Ventilvorrichtungen auf.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß
den Kennzeichen der Unteransprüche.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in teils
schematischer Darstellungsweise gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird.
Dabei- zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Verdrängermaschine
und Figur 2 einen schematischen Schnitt durch eine Seite der Verdrängermaschine
gemäß der Figur 1 zur Darstellung der Arbeitsräume.
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In der Figur 1 der Zeichnung ist die Verdrängermaschine insgesamt
mit 1 bezeichnet, deren Gehäuse aus zwei Teilgehäusen-2 und 3 zusammengesetzt ist,
die jeweils eine durch einen kreisringförmig umlaufenden Schlitz gebildete Verdrängerkammer
4 bzw. 5 aufweisen.
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Ein in diesem Gehäuse 2, 3 umlaufender Läufer ist insgesamt mit 6
bezeichnet und weist eine Trägerscheibe 7 auf, die an beiden Stirnseiten jeweils
eine als Verdrängerkörper wirkende kreisringförmige Leiste 8 bzw. 9 aufweist, die
in die Verdrängerkammern 4 bzw. 5 hineinragt.
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Der Läufer 6 wird von einer über eine starre Antriebsverbindung mit
einem Antriebsmotor, beispielsweise mit der Kurbelwelle einer BrmXnkraftmaschine,
verbundenen Antriebswelle 10 über einen Exzenterbund 11 angetrieben, der mittels
Radiallager 13 in der zylindrischen Nabe 12 des Läufers 6 gelagert ist. Zur eindeutigen
Führung des Läufers 6 ist eine zweite, am äußeren Umfang des Läufers angreifende
Exzenteranordnung vorgesehen, die aus einer mit einem exzentrischen Zapfen 18 versehenen
Welle 17 besteht, die gegenüber einem rohrförmigen Auge 21 des Gehäuses 2 durch
Lager 32 gehalten ist.
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Der Exzenterzapfen 18 dieser Führungswelle 17 ist über ein Lager 19
in einer am äußeren Umfang der Trägerscheibe 7 angebrachten zylindrischen Hülse
20 gelagert, wobei die Exzentrizität des-Exsenterzapfens 18 der Exzentrizität des
Exzenterbundes 11 der Antriebswelle 10 entspricht.
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Die im übrigen mittels Radiallager 31 in dem Gehäuse 2,3 gelagerte
Antriebswelle 10 ist über einen Zahnriementrieb 14 - 16 mit der Führungswelle 17
zwangsschlüssig verbunden, wobei mit 14 und 16
zwei auf den jeweiligen
Wellen angeordnete Zahnriemenscheiben und mit 15 der Zahnriemen selbst angedeutet
sind.
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Mit 21 und 22 sind noch auf der Antriebswelle 10 angeordnete Gegengewichte
zum Ausgleich der beim exzentrischen Antrieb des Läufers 6 entstehenden Massenkräfte
angegeben, während ein auf der Führungswelle 17 angeordnetes Gegengewicht mit 49
bezeichnet ist.
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Der Antrieb des Läufers 6 erfolgt bei einer derartigen, auch vom Antrieb
der sogenannten Spirallader her bekannten Antriebsanordnung in der Weise, daß alle
Punkte der Verdrängerkörper jeweils eine Kreisbewegung ausführen, deren Durchmesser
dem doppelten Exzenterhub des Exzenterbundes 11 entspricht. Unter Bezugnahme auf
Figur 2 ergibt sich also beim Umlauf der Antriebswelle 10 eine Bewegung des Läufers
6 so, daß jeder Punkt des Läufers und insbesondere auch die Verdrängerkörper 8 und
9 eine Kreisbewegungausführen, die der mit 46 bezeichneten Bahn des Läufermittelpunktes
45 entspricht. Mit 44 ist dabei die Achse der Antriebswelle 10 und gleichzeitig
auch die Achse des Gehäuses 2, 3 angegeben.
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Aus der Figur 2 ist weiter ersichtlich, daß sich zwischen jedem kreisringleistenförmigen
Verdrängerkörper 9 und den beiden Umfang wänden der Verdrängerkammer 5 jeweils nur
ein sichelförmiger Arbeitsraum bildet. Während der radial innere Arbeitsraum mit
38 bezeichnet ist, ist der radial äußere mit 39 angegeben. Jedem dieser sichelförmigen
Arbeitsräume 38, 39 ist jeweils eine Einlaßöffnung 34 und eine Auslaßöffnung 35
zugeordnet, die jeweils durch einen Trennschieber 25 bzw. 42 getrennt sind. Die
Einlaß- und Auslaßöffnungen weisen jeweils eine Rückströmung verhindernde Rück schlagventile
36 und 37 auf.
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Aus der Zeichnung ist nun ersichtlich, daß bei einer Drehung der Antriebswelle
10 in der mit dem Pfeil 50 angedeuteten Drehrichtung der Verdrängerkörper 9 das
über die Einlaßleitung 34
zugeführte Arbeitsmittel durch die Arbeitsräume
38 und 39 hindurch zu den Auslaßleitungen 35 schiebt, wobei eine Volumenänderung
des Arbeitsraums und damit eine Druckänderung nicht auftritt Als Arbeitsmittel können
daher bei dieser Maschinenausführung ohne weiteres auch inkompressible Medien verwendet
werden.
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In der Figur 2 sind im übrigen mit unterbrochenen Linien noch die
dem jeweils anderen Verdrängungskörper 8 zugeordneten Trennschieber 23 und 47 sowie
die zugeordneten Ein- und Auslaßleitungen 34 und 35 angedeutet. Diese Ein- und Auslaßleitungen
der einzelnen Arbeitsräume können jeweils zusammengefaßt werden, wobei die Auslaßleitungen
in den in der Figur 1 mit 33 bezeichneten Auslaßstutzen einmünden können.
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Mit ausgezogenen Linien sind in der Figur 2 die dem Verdrängungskörper
9 zugeordneten Trennschieber 25 und 42 dargestellt, die durch Federn 26 bzw 43 radial
zur dichtenden Anlage gegen die Umfangsfläche des Verdrängungskörpers 9 gedrückt
werden. Dabei sind diese Trennschieber, wie wieder für die Schieber 23 und 25 aus
der Figur 1 näher ersichtlich ist, in im wesentlichen radialen Schlitzen 27 bzw.
28 der Gehäuse 2, 3 gehalten und die mit 24 und 26 bezeichneten Federn können als
Bandfedern ausgebildet sein.
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Nicht in der Zeichnung dargestellt ist eine bei einer derartigen Verdrängermaschine
mögliche Rückstellbarkeit der Trennschieber entgegen der Wirkung der Rückstellfedern,
wodurch im sogenannten drucklosen Betrieb, bei dem also die Verdrängermaschine keine
Förderleistung erbringt, nur noch eine sehr geringe Antriebsleistung erforderlich
ist. Eine derartige Betriebsweise bietet sich insbesondere dann an, wenn die erfindungsgemäße
Verdrängermaschine als Ladepumpe für eine aufgeladene Brennkraftmaschine herangezogen
werden soll. Bei Teillast der Brennkraftmaschine ist nämlich eine Aufladung nicht
mehr erforderlich und sogar ungünstig, da der Druck der Einlaßluft bzw. des Gemisches
bei Teillast und insbesondere Leerlauf auf Atmosphärendruckniveau gedrosselt werden
müßte.
In diesen Betriebszuständen würde es sich daher anbieten, die Trennschieber von
den Verdrängerkörpern abzuziehen, so daß das in den Arbeitsräumen eingeschlossene
Arbeitsmittel ohne eine Volumen- und damit Druckveränderung durchmachen zu müSsen,
in der Verdrängerkammer herumgeschoben wird. Wegen der fehlenden Volumenveränderung
wird dabei auch keine wesentliche Temperaturerhöhung des Arbeitsmittels auftreten.
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Zur Verstellung der Trennschieber können übliche, beispielsweise elektrische
oder pneumatische, Stellvorrichtungen herangezogen werden. Besonders würde sich
eine pneumatische, also mit Unterdruck arbeitende, Verstellvorrichtung zur Verstellung
der Treunschieber dann als vorteilhaft herausstellen, wenn der die Verstellung bewirkende
Unterdruck direkt dem Saugrohr der Brennkraftmaschine entnommen wird. Die Höhe des
Saugrohrunterdruckes ist nämlich gleichzeitig ein Maß für die geforderte Leistung
der Brennkraftmaschine' so daß z.B. bei einer Beaufschlagung der dem Verdrängerkörper
abgewandten Stirnseite der Trennschieber mit dem Saugrohrunterdruck der Brennkraftmaschine
bei entsprechender Bemessung der vorhandenen Flächen eine selbsttätige Verstellung
zum richtigen Zeitpunkt erreicht wird. Diese selbsttätige Verstellung zeichnet sich
dadurch aus, daß unterhalb einer die Aufladung erfordernden Mindestteillast der
Brennkraftmaschine die Trennschieber außer Eingriff mit dem Verdrängerkörper' gebracht
werden und folglich automatisch der drucklose Betrieb der Verdrängermaschine eingestellt
wird. Bei Überschreitung dieser Teillast überwiegen dagegen wieder die den Trennschiebern
zugeordneten Rückstellfedern, die die Trennschieber zur dichtenden Anlage an die
Umfangs fläche des Verdrängerkörpers drücken und damit den Förderbetrieb der Verdrängermaschine
in Gang setzt.
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Mit 29 und 30 sind im übrigen in der Zeichnung noch Dichtleisten angegeben,
die in umlaufenden Nuten an den miteinander in Berührung kommenden Stirnflächen
der Gehäuse 2,3 und der Verdrängerkorper 8, 9 angeordnet sind. Zusätzlich zu diesen
axialen Dichtungen können noch auf dem Umfang der Verdrängerkörper sowie der Verdrängerkammern
angeordnete Dichtungen vorgesehen sein, die beispielsweise als
Labyrinthdichtungen
oder aber auch als elastisch nachgiebige Dichtleisten ausgebildet sein können und
zwar ähnlich wie dies bereits bei den oben erwähnten Spiralverdichtern vorgeschlagen
wurde. In diesem Zusammenhang sei auch erwähnt, daß die beschriebene Verdrängermaschine
ebenso wie die mehrfach erwähnten Spiralverdichter den Vorteil aufweist, daß selbst
bei hohen Drehzahlen der Antriebswelle nur relativ geringe Gleitgeschwindigkeiten
an den Berührpunkten auftreten, und zwar deshalb, weil alle Punkte des Läufers nur
Kreisbahnen mit relativ kleinen Durohmessern nämlich nur mit dem doppelten Exzenterhub
ausführen. Dies führt dazu, daß mit einfachen Dichtungen eine sehr gute Dichtwirkung
erzielt wird und darüberhinaus der Verschleiß gering bleibt.
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Bei der in der Zeichnung gezeigten Verdrängermaschine werden durch
die beiden Verdrängerkörper 8 und 9 insgesamt vier Arbeitsräume geschaffen, deren
zugeordnete Trennschieber 23, 25, 42, 47 so über den Umfang verteilt sind, daß nach
jeweils einer Verdrehung von 900 der Antriebswelle ein Arbeitstakt beendet ist.
Dies ergibt eine hohe Gleichförmigkeit der Förderung.
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Abweichend von der in der Zeichnung gezeigten Ausführung könnte der
Läufer anstatt durch die zweite Exzenteranordnung 17 - 20 auch durch einen am äußeren
Rand der Trägerscheibe 7 angeordneten, sowohl an dieser als auch an dem Gehäuse
angelenkten Schwinghebel geführt sein, wie dies im Prinzip auch schon für die Spiralmaschinen
vorgeschlagen wurde. In diesem Fall führen die einzelnen Punkte des Läufers 6 beim
Antrieb der Maschine nicht mehr genaue Ereisbahnen aus, sondern bewegen sich auf
untereinander veränderlichen Bahnen, die mehr oder weniger von der Kreisbahn abweichen.
Damit würde aber auch die Kontur der Umfangswände, die sich ja als Hüllkurven der
Bahnen aller Verdrängungskörperpunkte darstellen von der genauen Kreisform abweichen,
was zwar eine etwa aufwendigere, aber mit den heute möglichen Fertigungsmethoden
ohne weiteres ausführbäre Herstellung bedingen würde.