DE3320620A1 - Drehkolbenmaschine mit schieber - Google Patents

Description

• Drehkolbenmaschine mit Schieber
• Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Aus der europäischen Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 0052162 ist eine Drehkolbenmaschine mit gleitenden Schiebern bekannt, die zum Betrieb mit expandierenden Gasen vorgesehen ist. Diese bekannte Drehkolbenmaschine besitzt einen zylindrischen Rotor, der mehrere radial verschiebbare Schieber besitzt, deren Enden entlang einer geschwungenen Wand geführt werden. Die Schieber sind so gelagert, daß sie gleichzeitig um die Drehachse rotieren und um diese in Längsrichtung schwingen, wobei sie in einem Gehäuse verschiedene Gasräume variabler Größe voneinander trennen. Die dort vorgeschlagene Anordnung mehrerer Schieber sowie die erforderlichen Einrichtungen für den Zu- und Abstrom der Gase sind bei dieser vorgeschlagenen Drehkolbenmaschine kompliziert und somit zumindest mit einfachen Mitteln nicht realisierbar. Diese Drehkolbenmaschine hat auch nur sehr kurze Gas-Entspannungsphasen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Dreh- kolbenmaschine zu schaffen, die universell einsetzbar und einen einfachen Aufbau haben soll.
• Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale erhalten. Der Rotor ist konzentrisch zur Kurbelwelle angeordnet und hat eine im wesentlichen zylindrische Form. Zur Aufnahme wenigstens eines Schiebers kann der Rotor in der Mitte eine Durchführung bzw. eine Nut haben. Der Schieber wird in diese Nut so eingesetzt, daß er radial im Rotor verschiebbar ist, wobei er mit seinen beiden Enden mehr oder weniger weit aus dem Rotor herausragt.
• Der Rotor wird von einem ringförmigen Stator umgeben, der im wesentlichen zwei in Drehrichtung hintereinanderliegende verschiedene Innendurchmesser hat.
• An dieser geschwungenen Innenfläche des Rotors gleiten die beiden Enden des Schiebers entlang, wodurch ein Leistungsraum zwischen Rotor und Stator entsteht.
• Zwischen den beiden unterschiedlich großen Innendurchmessern besteht ein kontinuierlicher Übergang, der so bemessen ist, daß auch in diesem Bereich der Schieber stets mit beiden gegenüberliegenden Enden an der Innenfläche des Stators anliegt und sicher abdichtet.
• Der kleinere Innendurchmesser des Stators entspricht dem Außendurchmesser des zylindrischen Rotors, so daß in diesem Bereich keine Kammer gebildet wird. Im Bereich des größeren Durchmessers bilden Stator und Rotor eine Kammer, die als Kompressionskammer oder Expansionskammer verwendet werden kann.
• Um eine gute Abdichtung zwischen dem radial verschiebbaren Schieber und der Innenfläche des Stators zu gewährleisten, können die Enden des Schiebers eine Krümmung aufweisen, die an die Innenfläche des Stators angepaßt ist, die den größeren Durchmesser besitzt.
• Der Schieber liegt dann in diesem Bereich flächig an der Innenfläche des Stators an. Für viele Anwendungsbereiche wird es jedoch ausreichend sein, wenn der Schieber im Bereich seiner Enden einen kleineren Krümmungsradius aufweist als die genannte Innenfläche des Stators. Selbstverständlich besteht agch die Möglichkeit zusätzliche Dichtungselemente im Bereich der Schieberenden vorzusehen.
• Es kann auch vorteilhaft sein, den Schieber aus zwei gegeneinander verschiebbarenTeilen zu fertigen, die federnd nach außen gegen die geschwungene Innenfläche des Stators gedrückt werden. Dies kann durch geeignete Federelemente erfolgen, die die beiden Schieberhälften nach außen auseinanderdrücken. Diese Maßnahme kann ebenfalls eine gute Abdichtung zwischen Schieber und Stator bewirken.
• Durch die Verwendung zweier benachbarter Leistungskammern, in die ein gemeinsamer Rotor mit zwei Schiebern eingesetzt ist, erhält man auf einfache Weise einen Drehkolbenmotor. Die beiden Kammern sind zu diesem Zweck in Rotationsrichtung gegenseitig versetzt, so daß sie sich nur in einem kleinen Bereich überlappen, wo der Gasübertritt von der Kompressionskammer zur Expansionskammer erfolgen kann. Eine derart ausgebildete Drehkolbenmaschine hat einen besonders einfachen Aufbau und kann hinsichtlich der Kompression auf einfache Weise an dasjeweils verwendete Gas angepaßt werden.
• Die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine kann eine Kompressionskammer und zwei benachbarte Expansionskammern oder auch eine Expansionskammer und zwei benachbarte Kompressionskammern haben. Eine Anpassung an die unterschiedlichsten Einsatzbedingungen ist auf diese Weise sehr einfach möglich.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine, Fig. 2 einen zweiteiligen Schieber und Fig. 3 eine Drehkolbenmaschine mit Kompressions- und Expansionskammer.
• Die in Fig. 1 dargestellte Seitenansicht zeigt einen Stator 1, einen Rotor 2 und einen Schieber 3. Wird der Rotor 2 in der angegebenen Pfeilrichtung 4 in Rotation versetzt, so gleitet der Schieber 3 mit seinen beiden Enden 5 und 6 an der Innenfläche 7 des Stators 1 entlang. Der Schieber 3 liegt dabei stets mit seinen beiden Enden 5 und 6 an der Innenfläche 7 an, die im wesentlichen zwei unterschiedliche Innendurchmesser bzw. Innenradien R, r besitzt. Die Länge L des Schiebers 3 genügt der Gleichung: L=r +R Die Innenfläche 7 beschreibt eine Kurve 8, welche je nach Schieberlänge L und Endradius berechnet wird, so daß eine einwandfreie Abdichtung auch im Bereich der Ein- und Auslaufkurve gewährleistet ist.
• Die Kammer 9 wird somit einerseits durch den Rotor 2 und den Stator 1 begrenzt und muß natürlich auch an beiden Stirnseiten gasdicht mit entsprechenden Seitenteilen abgeschlossen sein, die als Lagerdeckel ausge bildet sein können.
• Die dargestellte Drehkolbenmaschine kann beispielsweise mit Druckluft o.ä. angetrieben werden, indem im Bereich 10 Druckluft in die Kammer 9 gepreßt wird, die den Schieber 3 und damit den Rotor 2 in Pfeilrichtung 4 in Rotation versetzt. Im Bereich 11 müßte dann eine entsprechende Auslaßöffnung vorgesehen sein.
• In Fig. 1 ist außerdem eine zweite Leistungskammer 12 mit unterbrochener Linie angedeutet, die axial verschoben hinter der Kammer 9 angeordnet ist und außerdem gegenüber der Kammer 9 um cirka 180 Grad verdreht ist. Der in dieser Kammer 12 befindliche Schieber 13 ist ebenfalls mit unterbrochener Linie eingezeichnet. Diese beiden benachbarten Kammern 9, 12 können als Kampressionskammer 9 und als Expansionskammer 12 ausgebildet sein. Der Gasübertritt von der Kompressionskammer 9 zur Expansionskammer 12 würde im Bereich 11 erfolgen. Diese Anordnung ist in Fig. 3 näher beschrieben.
• Fig. 2 zeigt einen zweiteiligen Schieber 3, dessen oberes Teil 14 und dessen unteres Teil 15 entsprechend der Pfeilrichtung 16 gegeneinander verschiebbar sind.
• Zu diesem Zweck können zwischen diesen beiden Teilen 14, 15 ein oder mehrere Federelemente vorgesehen sein, die die Enden 5, 6 des Schiebers 3 nach außen gegen die zugehörige Innenfläche eines Stators drücken.
• Die in Fig. 3 dargestellte Drehkolbenmaschine ist als Drehkolbenmotor ausgebildet, der eine Kompressionskammer 9 und eine Expansionskammer 12 hat,. Diese beiden Kammern 9, 12 werden von einem im wesentlichen zylindrischen Rotor 2, zwei Statoren 1, 17 und von zwei Seitenteilen 18, 19 begrenzt. Der Rotor 2 besitzt eine mittlere Scheibe 20, die die beiden Kammern 9 12 voneinander trennt. In Verlängerung des Rotors 2 schließt sich die Antriebswelle 21 an, deren Rotationsrichtung mit dem Pfeil 4 angegeben ist. Die Welle 21 ist durch zwei Lager 22 in den Seitenteilen 18, 19 gelagert.
• In die Kompressionskammer 9 strömt das Gas über einen Einlaßkanal 23. Der Schieber 3 komprimiert das Gas in der Kompressionskammer 9, von wo es durch einen Gasübertrittskanal 24 zur Expansionskammer 12 gelangt.
• Der Gasübertritt findet jedoch erst dann statt, wenn die Enden 5 der Schieber 3 und 13 nach oben in den Bereich 11 gedreht sind. Nachdem das Gas von der Kompressionskammer 9 in die Expansionskammer 12 gelangt ist, wird der Gasübertrittskanal 24 durch das Weiterdrehen des Rotors 2 verschlossen. Jetzt erfolgt die Zündung, die gegebenenfalls mittels einer Zündkerze 25 ausgelöst werden kann. Das Gas expandiert, dreht den Schieber 13 weiter und strömt schließlich durch einen Auslaßkanal 26 nach außen.
• Der Übergang vom größeren Innenradius £ zum kleineren Innenradius r erfolgt über eine Auslaufkurve 31, wobei der Übergang vom kleineren Innenradius r zum größeren Innenradius R als Einlaufkurve 30 bezeichnet wird. Die benachbarten Einlauf kurven und Auslaufkurven der beiden Statoren 1, 17 schneiden sich. Im Bereich 11 des Schnittpunktes der Auslaufkurve 31 des Stators 1 mit der Einlaufkurve des Stators 17 erfolgt der Gasübertritt über den Gasübertrittskanal 24.
• Mit dieser Drehkolbenmaschine läßt sich eine wesentlich bessere Treibstoffausnutzung erzielen als dies bei herkömmlichen Maschinen der Fall ist, da keine Massenumlenkung oder Massenumkehrung erfolgt. Es ist eine wesentlich kleinere Dimensionierung als bei herkömmlichen Motoren möglich, es tritt fast keine Unwucht auf, die Drehkolbenmaschine hat einen sehr geringen Verschleiß, geringe Anzahl von beweglichen Teilen und erfordert keine Ventilsteuerung.

Claims (14)

1. Patentansprüche ½ Drehkolbenmaschine mit wenigstens einem Rotor, an d dem wenigstens ein Schieber radial verschiebbar angeordnet ist, und mit wenigstes einem ringförmigen Stator, der eine dem Rotor zugewandte Innenfläche mit unterschiedlichen Innenradien hat und der sich zwischen zwei Seitenteilen befindet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h ne t , daß der Stator (1) im wesentlichen zwei in Drehrichtung (4) hintereinanderliegende verschiedene Innenradien (r, R) hat, die durch eine Einlaufkurve, als Übergang vom kleineren zum größeren Innenradius, und durch eine Auslaufkurve' als Übergang vom größeren zum kleineren Innenradius, ineinander übergehen, und daß der Schieber (3) mit seinen beiden gegenüberliegenden, parallel zur Rotationsachse verlaufenden Enden (5, 6) ständig an der Innenfläche (7) entlang gleitet.
2. 2. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Rotor (2) eine zyiindrische Form mit wenigstens einer Nut für die Aufnahme eines Schiebers (4, 13) hat, und daß der kleinere Innenradius (r) des Stators (1) dem halben Außendurchmesser des Rotors (2) entspricht.
3. 3. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß sich der größere und der kleinere Innernradius des Stators (1) jeweils über einen gleichgroßen Winkelbereich erstrecken, der größer als 1200 ist und vorzugsweise im Bereich zwischen 1400 und 1600 liegt.
4. 4. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die an der Innenfläche (7) des Stators (1) entlang geführten Enden (5, 6) des Schiebers (3) eine Krümmung mit einem Radius haben, der gleichgroß oder kleiner ist als der größere Innenradius (R) des Stators (1).
5. 5. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der Schieber (3) aus zwei gegeneinander verschiebbaren Teilen (14, 15) besteht, die federnd nach außen gedrückt werden, so daß ihre Enden (5, 6) an der geschwungenen Innenfläche (7) des Stators (1) federnd anliegen.
6. 6. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß zwischen dem Teil der Innenfläche (7) des Stators (1) mit dem größeren Innenradius (R) und dem Rotor (2) eine Kammer besteht, die entweder als Kompressionskammer (9) oder als Expan- sionskammer (12) geeignet ist.
7. 7. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß wenigstens zwei Schieber (3, 13) axial nebeneinander auf einem Rotor (2) angeordnet sind; daß jedem Schieber (3; 13) ein Stator (1; 12) zugeordnet ist, von denen der erste Stator (1) zusammen mit dem zylindrischen Rotor (2) eine Kompres.s.ionskammer (9) und der andere eine Expansionskammer (12) bildet, daß sich jeweils die Einlaufkurve (30) des einen Stators (17) mit der Auslaufkurve (31) des benachbarten Stators (1) schneidet, und daß die Kompressionskammer (9) und die Expansionskammer (12) durch eine mit dem Rotor (2) verbundene Scheibe (20) voneinander getrennt sind, die einen größeren Durchmesser als der größte Innendurchmesser des Stators und einen Gasü-bertrittskanal (24) hat.
8. 8. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die der Kompres.sionskammer (9) zugewandte Öffnung des Gasübertrittskanals (24) in Drehrichtung (4) hinter dem zugehörigen Schieber (3) und die der Expansionskammer (12) zugewandte Öffnung vor dem in der Expansionskammer (12) befindlichen Schieber (13) angeordnet ist.
9. 9. Drehkolbenmaschine nach einem der-Ansprüche 7 oder 8, d a d u r c h 9 e k e n n z e i c h n e t daß die benachbarten Schieber (3, 13) gegeneinander um einen Winkel verschoben sind, so daß der in der Expansionskammer (12) befindliche Schieber !13) dem in der Kompressionskammer (9) befindlichen Schieber (3) voreilt, und/oder daß der Gasübertrittskanal (24) in der Scheibe (20) schräg angeordnet ist.
10. 10. Drehkolbenmschine nach einem der Ansprüche 7 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kompressionskammer (9) ein größeres Volumen als die Expansionskammer (12) hat.
11. 11. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n ç t daß zu beiden Seiten einer Kompressionskammer jeweils eine Expansionskammer angeordnet ist.
12. 12. Drehkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß zu beiden Seiten einer Expansionskammer jeweils eine Kompress.ionskammer angeordnet ist.
13. 13. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß der oder die Schieber (3, 13) jeweils in eine Nut eingreifen, die als Steuerkurve seitlich in den zugehörigen Seitenteilen (18, 19) vorgesehen ist.
14. 14. Drehkolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Verhältnis größerer Innenradius (R)/kleinerer Innenradius (r) kleiner als 1,5 ist.