DE3533896A1 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine. Eine derartige Rotationskolbenmaschine ist beschrieben in der EPÜ-Patentanmeldung 01 16 356.

Diese Rotationskolbenmaschine, gleichgültig, ob sie als Kompressor oder Verbrennungsmotor verwandt werden, mit oder ohne Wassereinspritzung, hat besondere Dichtungsprobleme, weil die druckmäßig hintereinanderliegenden Arbeitsräume immer höhere Drücke aushalten müssen. Wesentlich ist auch noch, daß bei der Rotationskolbenmaschine der Arbeitsraum selbst vor und nach dem Kolben in Ansaugseite bzw. Expansionsseite unterteilt ist, und auch hier wieder die Dichtungen besonderen Anforderungen unterliegen.

Bei der bekannten Ausführung wird die Dichtung innerhalb des kreisförmigen Arbeitsraums durch einen Absperrläufer erreicht. Dieser Absperrläufer dichtet aber nur entlang einer Linie, ist konstruktiv aufwendig und erfordert eine hohe Präzision bei der Herstellung dieser Teile. Besondere Probleme treten bei Erwärmungen auf, weil dann diese "Liniendichtung" gerade bei hohen Drücken immer problematischer wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Dichtung innerhalb des Arbeitsraumes zu verbessern, insbesondere eine Dichtung vorzusehen, die sich selbst nachstellt, um den ganzen Aufbau der Maschine zu vereinfachen.

Die Erfindung geht aus von einer Rotationskolbenmaschine mit mehreren kreisförmigen, axial hintereinander auf einer Welle befestigten Kolbenläufern, von denen jeder einen Kolben aufweist, der an einer zugeordneten, ruhenden Arbeitsraumwandung jeweils eines kreiszylindrischen Arbeitsraumes entlangläuft, und das gasförmige Medium durch eine oder mehrere mit der Welle rotierende Steuerscheiben in den jeweiligen Arbeitsraum ein- und ausgeleitet wird, und ein gesteuerters, dichtendes Absperrorgan den Arbeitsraum in Ansaugraum und Kompressions- bzw. Expansions- und Auspuffraum unterteilt.

Bei einer derartigen Maschine werden die Dichtungsverhältnisse sowohl innerhalb des Arbeitsraums als auch hinsichtlich der hintereinanderliegenden Arbeitsräume erheblich verbessert und die Herstellung erheblich vereinfacht, wenn erfindungsgemäß das Absperrorgan ein vom Kolbenläufer gesteuertes Ventil ist.

Es wird jetzt ein neuer Weg dadurch beschritten, daß man nicht mehr Absperrorgane die sich drehen, verwendet, die sehr genau gearbeitet sein müssen, die nur linienförmig dichten, und die auch zu präzisen Zeitpunkten einsetzen müssen. Jetzt steuert der Kolbenläufer selbst sich seine Dichtung. Dabei kann der Kolben selbst zur Betätigung des Ventils bzw. Absperrorgan verwandt werden, es können aber auch extra Steuernocken auf dem Kolbenläufer vorgesehen werden.

Eine wesentliche Vereinfachung in der Bauweise gibt es noch dadurch, daß eine Hohlwelle vorhanden ist, die in axialer Richtung hintereinanderliegend die Kolben- und Steuerscheiben trägt.

Eine derartige Maschine lässt sich jetzt leicht mit viel geringeren Toleranzen herstellen. Es ist nur ein rotierendes Teil vorhanden, auf dem die Steuerscheiben fest angeordnet sind, die zusammen mit den am festen Gehäuse angeordneten Trennwänden die Arbeitsräume bilden. Durch die Verwendung einer Hohlwelle werden auch erhebliche bewegte Massen und Gewicht eingespart. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei gehen aus den Zeichen der Beschreibung hierfür weitere Erfindungsmerkmale hervor.

Fig. 1: zeigt schematisch die neue Ausführung in einem Schnitt;

Fig. 2: zeigt schematisch eine Seitenansicht der Fig. 1 mit einem Ausschnitt;

Fig. 3: zeigt schematisiert den oberen Teil des Gehäuses der Maschine mit Darstellung einer anderen Ausführung eines Ventils nach der Erfindung in einem ersten Bewegungszustand.

Fig. 4: gleiche Darstellung wie Fig. 3 in einem anderen Drehzustand des Ventils;

Fig. 5 gleiche Darstellung wie in Fig. 3 und Fig. 4 in einem dritten Bewegungszustand des Ventils.

In der Fig. 1 ist ein Gehäuse 1 gezeichnet. Dieses Gehäuse 1 ist feststehend. Die Maschine kann sowohl als Kompressor als auch als Verbrennungsmotor ausgebildet sein, wobei bei dem Verbrennungsmotor auch durch Einspritzung von Wasser ein Verbrennungsdampfmotor entsteht.

Das Gehäuse 1 weist Trennwände 2, 3, welche die kreisringförmigen Arbeitsräume 4 voneinander dichtend trennen, auf. Aus der Zeichnung erkennt man, daß die Arbeitsräume ein immer kleiner werdendes Volumen im Bereich des Kompressionsteils aufweisen, wie später beschrieben wird. Die Antriebswelle 5 ist einstückig mit der Hohlwelle 6. Erfindungsgemäss trägt diese Hohlwelle 6 Steuerscheiben 7. Das beim Einsatz 8 angesaugte gasförmige Medium wird im Kompressionsteil, der bei dem mit Pfeil 9 bezeichneten Bereich endet, immer weiter komprimiert. Dieser Vorgang, Zusammenwirken der Steuerscheiben und Trennwände im Zusammenwirken mit dem Überströmkanal 10, ist in der EPÜ 01 16 356 beschrieben. Während die Kompressionsstufen bei dem mit Pfeil 9 gestrichelt gezeichneten Bereich endet, folgt dann die Expansionsstufe, die im Ausführungsbeispiel bei dem mit Pfeil 11 bezeichneten Bereich endet. Im Ausführungsbeispiel sind je drei der im Expansionsbereich angeordneten Arbeitsräume mit den beiden Auspuffarbeitsräumen verbunden, die im Bereich 12 angeordnet sind. Die Kolbenfläche der Arbeitsräume im Bereich 12 hat ungefähr die 9-fache Größe der Kolbenfläche in den Arbeitsräumen des Expansionsbereichs.

Das erfindungswesentliche Dichtungsproblem innerhalb der Arbeitsräume geht aus Fig. 2 hervor. Dort bezeichnen die gleichen Zahlen die gleichen Teile. Als Rotationsläufer ist erfindungsgemäß die Hohlwelle 6 bezeichnet. Auf dieser Hohlwelle befinden sich innerhalb des Arbeitsraumes Kolben 13. Bewegt sich die Hohlwelle 6 bzw. der Rotationsläufer mit dem Kolben 13 in Pfeilrichtung 14, dann wird der Arbeitsraum, wenn es sich um eine Kompressionsstufe handelt, unterteilt in den Ansaugraum 15 und den Kompressionsraum 16. Der Kompressionsraum 16 wird also einerseits gebildet von der Steuerseite 17 des Kolbens, die dazu dient, den Ventilkörper 18 gegen den Druck der Ventilfeder 19 in Pfeilrichtung 20 anzuheben, nachdem das komprimierte Gas in den nächsten Arbeitsraum bei entsprechender Stellung der Steuerscheiben abgeschoben wurde. Die Rückseite des Kolbens 21 ist dann die weitere Steuerfläche 22 für den Ventilkörper 18, wenn dieser seinen Dichtsitz wieder auf der Hohlwelle 6 einnimmt. Ansich bekannte Dichtungen 23 dienen der Abdichtung des Kolbens gegenüber der Gehäusewand 1. Schematisch in der Fig. 2 dargestellt ist, daß die ganzen Ventile auf einer Steuerleiste 24 hintereinanderliegend angeordnet sind, welche die Länge der Hohlwelle 6 haben. Das Gehäuse 1 ist zweiteilig ausgebildet.

Alle Dichtungen sind ansich bekannte konventionelle Dichtungen, d. h. es sind keinerlei Spezialdichtungen erforderlich. Das ist ein weiterer wesentlicher Vorteil bei der Erfindung. In den Fig. 3 bis 5 ist die weitere Ausführungsform eines Ventils gezeigt, was sich von dem erstgenannten Ventil dadurch unterscheidet, daß es sich bei dem erstgenannten Ventil um ein Hubventil handelt, während es sich bei dem hier nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel um ein Drehventil handelt.

In gleicher Darstellung wie in Fig. 2 trennt der Kolben 13 der Maschine den Arbeitsraum 4 von dem Ansaugraum 15, wobei der Kolben 13 in Pfeilrichtung 14 umläuft.

In einer mit bearbeiteten Innenflächen 40 versehenen Ausnehmung 39 des Gehäuses 1 ist in Pfeilrichtung 33 schrittweis drehbar eine Ventilscheibe 25 angeordnet, die in der Drehlage nach Fig. 3 und Fig. 5 die Abdichtung zwischen dem Arbeitsraum 4 und dem Ansaugraum 15 der Maschine vornimmt, während in der Stellung nach Fig. 4 in beiden Räumen 4, 15 gleicher Druck herrscht und eine Abdichtwirkung des Ventils nicht erforderlich ist.

Das Ventil besteht aus einer drehbar in Pfeilrichtung 33 in der Ausnehmung 39 gelagerten Ventilscheibe 25 , welche im Ausführungsbeispiel 4 Ventilarme 27, 28, 29, 30 trägt, die radial am Umfang dieser Ventilscheibe 25 um 90 Grad jeweils versetzt angeordnet sind.

An den äußeren fernen Enden dieser Ventilarme 27-30 sind entsprechende Dichtstücke 41 angeordnet, die der Einfachheit halber in den Darstellungen der Fig. 4 und 5 fortgelassen sind.

Die Ventilscheibe 25 ist in Pfeilrichtung 33 drehbar auf einer zugeordneten Klinkenscheibe 26 angeordnet, wobei die Klinkenscheibe 26 entsprechende Vorsprünge aufweist, die mit zugeordneten Ausnehmungen im Bereich der Ventilscheibe 25 zusammenwirken. Ventilscheibe 25 und Klinkenscheibe 26 bilden zusammen ein Rastgesperre, was gewährleistet daß bei einem Umlauf des Kolbens 13 um 360 Grad im Gehäuse 1 jeweils nur gerade ein Ventilarm 27-30 in Pfeilrichtung 33 um 90 Grad weitergeschaltet wird.

In der gezeichneten Drehlage nach Fig. 3 befindet sich die Ventilscheibe 25 mit den Ventilarmen 28, 29, 30 gerade in Dichtungseingriff mit dem Gehäuse, denn die zugeordneten Dichtstücke 41 liegen an zugeordneten Dichtungssitzen 36, 37, 38 des Gehäuses an. Hierdurch ist druckdicht der Arbeitsraum 4 von dem Ansaugraum 15 getrennt, wobei erhebliche Druckunterschiede zwischen beiden Räumen herrschen können.

Der Einfachheit halber ist nicht gezeigt, daß im Bereich unterhalb der Ventilscheibe 25 die gleichen Überströmkanäle 10 an der gleichen Stelle im Gehäuse angeordnet sind, wie es in Fig. 2 dargestellt ist.

Wenn sich der Kolben 13 in Pfeilrichtung 14 nach Fig. 3 weiterbewegt, dann gerät er in Dreheingriff mit einer Ausnehmung 31 zwischen den Ventilarmen 28, 29, so daß entsprechend der Darstellung in Fig. 3 und Fig. 4 die gesamte Ventilscheibe 25 zusammen mit der Klinkenscheibe 26 zunächst in Pfeilrichtung 34 angehoben wird und gleichzeitig in Pfeilrichtung 33 um 45 Grad weitergedreht wird. Hierdurch gelangen die Ventilarme 28, 29 außer Dichteingriff mit den zugeordneten Dichtungssitzen und der Druck auf der Vorderseite des Kolbens und auf der Rückseite des Kolbens (Arbeitsraum 4 und Ansaugraum 15) gleicht sich aus und ist in beiden Räumen gleich. Die Ventilscheibe 25 hat sich hierbei von der alten Drehachse 32 in die angehobene Stellung begeben und dreht sich hierbei um die darüberliegende Drehachse 35.

Der Kolben bewegt sich nun in Pfeilrichtung 14 in Fig. 4 weiter, und nachdem er sich immer noch in Dreheingriff mit der Ausnehmung 31 zwischen den beiden Ventilarmen 28, 29 befindet, dreht er die gesamte Ventilscheibe 25 um weitere 45 Grad weiter, wodurch diese wieder in ihre abgesenkte Stellung herunterfällt und der Ventilarm 28 mit seinem nicht näher dargestellten Dichtungsstück 41 mit dem Dichtungssitz 37 zusammenwirkt, während die anderen Ventilarme 27, 29 mit den Dichtungssitzen 36, 38 an der Innenfläche 40 der Ausnehmung 39 zusammenwirken. Der Kolben 13 führt dann einen Umlauf im Gehäuse 1 durch, bis er wieder in seine Stellung nach Fig. 3 gerät, wodurch der vorher beschriebene Bewegungsablauf wieder abläuft.

• ZEICHNUNGS-LEGENDE  1 Gehäuse 1
   2 Trennwände
   3 Trennwände
   4 Arbeitsraum
   5 Abtriebswelle
   6 Hohlwelle
   7 Steuerscheibe
   8 Einlass
   9 Pfeil
  10 Überströmkanal
  11 Expansionsstufe
  12 Bereich
  13 Kolben
  14 Pfeilrichtung
  15 Ansaugraum
  16 Kompressions-Raum
  17 Steuerseite d. Kolben
  18 Ventilkörper
  19 Ventilfeder
  20 Pfeilrichtung
  21 Kolben
  22 Steuerfläche
  23 Richtung
  24 Steuerteile
  25 Ventilscheibe
  26 Klinkenscheibe
  27 Ventilarm
  28 Ventilarm
  29 Ventilarm
  30 Ventilarm
  31 Ausnehmung
  32 Drehachse
  33 Pfeilrichtung
  34 Pfeilrichtung
  35 Drehachse
  36 Dichtungssitz
  37 Dichtungssitz
  38 Dichtungssitz
  39 Ausnehmung
  40 Innenfläche
  41 Dichtstück

Claims (5)

1. Rotationskolbenmaschine mit mehreren kreisförmigen axial hintereinander auf einer Welle befestigten Kolbenläufern, von denen jeder einen Kolben aufweist, der an einer zugeordneten, ruhenden Arbeitsraumwandung jeweils eines kreiszylindrischen Arbeitsraumes entlangläuft, und das gasförmige Medium durch ein oder mehrere mit der Welle rotierende Steuerscheiben in den jeweiligen Arbeitsraum ein- und ausgeleitet wird, und ein gesteuertes dichtendes Absperrorgan den Arbeitsraum im Ansaugraum und Kompressions- oder Expansions- oder Auspuffraum unterteilt, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrorgan ein vom Kolbenläufer bzw. der Hohlwelle (6) gesteuertes Ventil (18, 19, 25) ist.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hohlwelle (6) vorhanden ist, die in axialer Richtung hintereinander liegend die Kolben- (21) und Steuerscheiben (22) trägt.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlwelle (6) an ihrem einen Ende als Abtriebswelle (5) ausgebildet ist.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wassereinspritzung das stehende Gehäuse (1) wärmeisoliert ist.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil aus einer drehbar und verschiebbar am Gehäuse (1) gelagerten, mehrere Ventilarme (27-30) aufweisenden, Ventilscheibe (25) besteht, welche in Dreheingriff mit dem Kolben (13) ist und von diesem von ihrem Dichtungssitz (36, 37, 38) in der Mittelstellung abgehoben wird.