DE3638022A1 - Drehkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenpumpe für ein weites technisches Anwendungsgebiet. Als Beispiel herausgehoben, sei aber wegen aktuellem Bedarf, die Verwendung der Dreh­ kolbenpumpe als Aufladegerät für Verbrennungsmotoren.

Als Erfindungszweck, um beim Beispiel Aufladegerät zu bleiben, sei in erster Linie die Eignung als Serienprodukt genannt, da nur dort, wo Oberflächen bearbeitet werden müssen, die Kreisform oder die Form einer geraden Fläche vorhanden ist, was den Herstellungsverfahren entgegen kommt. Auch wird ein hoher Nutzeffekt über einen breiten Drehzahlbereich angestrebt und mit der Erfindung auch zu realisieren sein.

Mit Sichelspalt arbeitende Verdichter sind bekannt, z. B. Mehrzellenverdichter. Sie haben aber Probleme in bezug auf die Beherrschung der Fliehkräfte oder sind sonst recht kompliziert im Aufbau, so daß sie sich bisher nicht als Aufladegerät für Verbrennungsmotoren durch­ setzen konnten. Mit Nichtsichelspalt arbeitende Verdichter sind als Aufladegerät bereits in der Anwendung oder Erprobung. Gegen diese Konstruktionen tritt die Erfindung konkurrierend, mit den unter dem Erfindungszweck genannten geometrischen Einfachformen, und einer daraus resultierenden Robustheit, auf.

Somit verfolgt die Erfindung die Aufgabe in erster Linie Eingang in die Motortechnik zu finden, um Leistungsgewichte zu reduzieren und bei besserer Ausnutzung des Sauerstoff­ angebots für den Verbrennungsvorgang im Motor, umweltentlastend zu wirken. Natürlich lassen sich auch andere, nicht mit Verbrennungsmotoren im Zusammenhang stehende Prozesse, mit der Erfindung bewerkstelligen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in einer halbzylinderförmigen Aussparung in einem Hohlzylinder, ein halbwalzenförmiges Element, förderhin mit der Abkürzung HE bezeichnet, liegt, das seinerseits wieder mittig eine Lagenstelle für einen Bolzen besitzt, so daß dieses HE in der Aussparung eine Schwenkbewegung ausführen kann. Von dieser Lagerstelle führt eine Verbindungsstange zu der gegenüberliegenden Innenwand­ seite des Hohlzylinders, was bewirkt, daß das HE in der Aussparung im Hohlzylinder gehalten wird. Der Hohlzylinder selbst ist exzentrisch in einem Gehäuse gehalten, so daß ein Sichelspalt entsteht. Bei Rotation des Hohlzylinders, wird durch eine Bolzenverbindung von der einen abgerundeten Kante des HE zu einer zentrisch zum Außengehäuse mitlaufenden Scheibe, diese abgerundete Kante des HE immer an der Zylinderwand des Außengehäuses entlanggeführt, wenn die Abrundung der Kante dem halben Bolzendurchmesser entspricht. Bei einer anderen Version ist die mitdrehende Scheibe noch mehr exzentrisch gelagert als der Hohlzylinder und die Bolzenverbindung führt zur gegenüberliegenden Seite des HE, so daß bei Rotation die Wippbewegung dieses HE gegensinnig zur Bewegung der erstgenannten Version erfolgt. Bei einer dritten Version wird der Verbindungsbolzen und die Scheibe durch ein gekrümmtes Verbindungselement ersetzt, das zu einem im Innern der Pumpe mitdrehendem Ring führt.

Auf der vorgenannten Verbindungsstange ist der Lagerstellenseite gegenüberliegend, eine Ausgleichsmasse montiert, so daß unabhängig von Wärmedehnungen oder Verspannungen anderer Art, die Zentrifugalkraft des HE kompensiert wird, um die Reibung zwischen HE und Aussparungswandung kontrolliert zu beherrschen. Eine solche Zentrifugalkraftkompen­ sation ist aber keine unabdingbare Notwendigkeit, die Verbindungsstange kann auch fest in einem Wandungsteil verankert werden, wobei nur wichtig ist, daß die Lagerung der Ver­ bindungsstange im HE leichtgängig ist. Eine Nadelbüchse erfüllt diese Forderung. Bei Rotation des Hohlzylinders, wird also, bei auf ein unabdingbares Minimum reduzierter Reibleistung, Medium durch einen Kanal angesaugt und durch einen anderen wieder aus­ geschoben, wobei die Kreisform der Gehäuseinnenwand die Abdichtprobleme minimiert und eine rationelle Fertigung bei der Herstellung solcher Pumpen ermöglicht. Das HE führt dabei eine harmonische Wippbewegung aus.

Bei dem Vorhandensein, von nur einem HE ist Strömungspulsation nicht zu vermeiden, aus­ geprägt insbesondere dann, wenn das HE zwischen Ansaug- und Ausstoßkanal steht. Dem kann dadurch entgegengewirkt werden, daß entweder das HE so breit ist, daß es noch beide Kanäle gleichzeitig überdeckt, oder es werden zwei HE pro Hohlzylinderwalze angeordnet. Bei mehr als zwei HE ist der Pulsationseffekt weitgehend zu reduzieren, weil es dann außerdem zu einer inneren Verdichtung bei Gasen kommt (für Flüssigkeiten ungeeignet) und so ein Rückstrom aus unter geringerem Druck stehenden Kanälen ausbleibt.

Der Vorteil der Erfindung ist vor allen Dingen darin zu sehen, daß nur die Hohlzylinderwalze rotiert, während die Scheiben oder als Ersatz dafür, die Verbindungselemente, mitgenommen werden und ausschließlich Führungsfunktion haben. Die HE führen dabei eine harmonisch wippende Bewegung aus. Alle Bewegungsvorgänge erfolgen auf Kreisbahnen, was einem hohen Nutzeffekt über einen breiten Drehzahlbereich, förderlich ist. Ferner kommt der Sichelspalt dem Ansaugverhalten von Hubkolbenmotoren entgegen. (Beim oberen und unteren Totpunkt der Kurbelwelle ist die Ansaugung Null, während bei der 90°-Stellung das Ansaugmaximum liegt - analog dazu der Sichelspalt).

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in nachbeschriebenen Figuren dargestellt, die im folgenden beschrieben werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel mit nur einem HE. Ersichtlich ist im Gehäuse mit kreisförmiger Innenwand ein dazu exzentrisch versetzter Hohlzylinder, in dem das HE eingelagert ist. Den Aufbau eines solchen HE, als Beispiel gedacht, zeigt Fig. 4. Von dem HE, in welchem sich eine Nadelbüchse als Lager für eine Verbindungstange befindet, geht diese Verbindungsstange zu der gegenüberliegenden Wand mit dem vorher in seiner Funktionsweise beschriebenen Ausgleichsgewicht. Es kann auch, diese Verbindung zu der anderen Wandseite entfallen und wie in Fig. 5 gezeigt die Halterung des HE durch einen Stift erfolgen, der nur bis zur Innenwand der Halbzylindermulde reicht, um dort eventuell durch Tellerfedern oder auch direkt abgefangen zu werden. Das ist eine rein konstruktive Überlegung.

Als Längsschnitt zu Fig. 1 gehört Fig. 2. Daraus wird ersichtlich, daß der Antrieb des exzentrisch gelagerten Hohlzylinders, von außen über eine kugelgelagerte Welle erfolgt, (Spindellager) welcher Hohlzylinder die in ihm gelagerten HE mitdreht. Diese wieder nimmt über einen Verbindungsbolzen eine Scheibe mit, welche die Aufgabe hat, die eine abge­ rundete Kante des HE exakt an der bearbeiteten Gehäuseinnenwand entlang zu führen, indem sie entsprechend zentrisch zum Gehäuse gelagert ist. In Fig. 2 ist nur eine Scheibe ge­ zeichnet, es könnte auch noch eine zweite an der anderen Gehäuseseitenwand mitlaufen, um so das HE auf beiden Seitenteilen durch einen Bolzen zu führen, oder aber, wenn zwei HE vorhanden sind, jeder dieser HE durch je eine Scheibe immer auf dem exakten Radius zu führen. Wenn bei dem Vorhandensein von zwei HE - hierzu ist keine Figur gezeigt, weil es leicht ist, sich vorzustellen, daß zwei HE vorhanden sind, direkt gegenüber, oder in einem Winkel zueinander versetzt, - die genannten Verbindungsbolzen nur auf eine Scheibe gehen, dann kann ein Bolzen einer HE die Mitnahme der Scheibe besorgen, indem dieser Bolzen in eine Bohrung greift. Da aber beim Drehen der Scheibe, der Rotationsradius des Bolzens sich verändert und analog dazu auch seine Geschwindigkeit, ist es notwendig, für den zweiten Bolzen eine Langlochfräsung zu schaffen, damit dieser Bolzen in Relation zur Umfangsge­ schwindigkeit der Scheibe voreilen oder zurückbleiben kann. Hierzu Fig. 6. Die Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch eine Pumpe mit drei HE. Da auf alle Fälle mindestens zwei Bolzen von einer Scheibe geführt werden müssen, gilt die Aussage mit der Langlochfräsung auch für diese Dreieranordnung. Die gleiche Aussage gilt, wenn mehr als drei HE vorhanden sind.

Die Ausführungsbeispiele können bei entsprechender Anordnung der Ein- bzw. Auslaßkanäle in beiden Richtungen drehen. Auch sind für den Einsatz im Automobilbau Kunststoffe oder Keramik als Werkstoffe für die Ausführungsbeispiele möglich.

Fig. 7 zeigt die Möglichkeit einer anderen Formgestaltung der Ausgleichsmasse, was bei dem Vorhandensein einer geraden Anzahl von HE notwendig würde, wenn Konstruktionen mit Ausgleichsmassen verwendet werden.

Fig. 8 zeigt, daß die Führung des HE auch kraftschlüssig erfolgen kann, wie gezeichnet z. B. durch eine Feder, aber mit dem Nachteil, einer erhöhten Wandreibung und damit erhöhter Wärmeentwicklung. Eine gewisse Entlastung der Reibung kann erreicht werden, wenn die Rotationsrichtung, durch den Pfeil angedeutet, so ist, daß der Staudruck der Federkraft entgegenwirkt.

Fig. 9 zeigt, daß die Führungsscheibe mit dem Bolzen durch ein gekrümmtes Verbindungs­ element zu einem zentrisch zum Gehäuse mitdrehendem Ring, ersetzt werden kann. Dieses Verbindungselement übernimmt die exakte Führung der abgerundeten HE-Kante entlang der Gehäuseinnenwand. Mehrere Ringe können nebeneinander laufen und so jede HE unabhängig von dem anderen genau führen.

Fig. 10 zeigt, daß das Führungselement nach Fig. 9 auch zu anderen Kanten des HE geführt werden kann, nur muß dann die Lagerung des Führungsrings, um den doppelten Betrag exzentrisch sein, wie die Mitte des Hohlzylinders. Die Zugbewegung auf das HE erfolgt so gegensinnig wie bei Fig. 9. Auch für eine Führung durch eine mitlaufende Führungsscheibe ließe sich das, dem Sinne nach, konstruktiv ähnlich gestalten. Ein Ausführungsbeispiel ist hierfür aber nicht gezeichnet.

Fig. 11 zeigt als Beispiel, daß auch von dem HE, konstruktiv abgewichen werden kann und eine Art Platte mit einem Drehgelenk eingesetzt werden könnte, wenn auch dadurch keine besonderen Vorteile zu erwarten sind.

Fig. 12 zeigt die Möglichkeit, da auch bei einer Ausführung nach Fig. 11 eine Ausgleichs­ masse angebracht werden kann.

Fig. 13 zeigt schließlich einen Längsschnitt durch eine Kreiskolbenpumpe mit gekrümmten Verbindungselement und Ausgleichsmasse, aber nur mit einem HE. Eine solche Pumpe mit mehr als einem HE ist nicht gezeichnet, da diese aus der Betrachtung von Fig. 13 leicht vorstellbar ist. Neben dem einen Verbindungselement können noch andere aufgereiht werden.

Letztendlich zeigt Fig. 14 unter Bezugnahme auf Anspruch 7, daß die Lagerung des HE nicht nur, so wie vorher skizziert, ausgeführt werden muß, sondern daß auch andere Lageran­ ordnungen sinnvoll sein können. Die Figur zeigt eine durch das HE durchgesteckte Achse, die seitlich von 2 Lagerarmen, nur skizzenhaft angedeutet, gehalten wird. Dies sei nur als Ausführungsbeispiel für noch andere Lagerausführungsmöglichkeiten aufgeführt.

Claims (7)

1. Drehkolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, daß ein halbwalzenförmiges Element, eingepaßt in einen Hohlzylinder, mit diesem rotiert, welcher Hohlzylinder seinerseits, so exzentrisch gelagert ist, daß ein Sichelspalt entsteht, so daß, wenn das genannte Element an der Zylindergehäusewand entlanggleitet, geführt durch einen Bolzen als Verbindungsglied zu einer oder zwei mitdrehenden Scheiben und durch eine auf der Gegenseite mitdrehenden Masse, über eine leichtgängig gelagerte Verbindungsstange zentrifugalkraftkompensiert verbunden, und dadurch im Hohlzylinder schenkbeweglich gehalten, durch den Eintrittskanal Medium angesaugt und den Austrittskanal herausge­ drückt wird.

2. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1, aber mit zwei diametral gegenüber angeordneten halbwalzenförmigen Elementen.

3. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 2, aber davon abweichend, indem die zwei halb­ walzenförmigen Elemente mit einem beliebigen Winkel von der Anordnung diametral gegenüber eingebaut sind.

4. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 2 und 3, aber mit mehr als zwei halbwalzenförmigen Elementen mit gleichmäßiger Verteilung analog Anspruch 2 oder winkelversetzt analog Anspruch 3.

5. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 bis 4 aber ohne die mitdrehende Masse, also die Verbindungsstange wird direkt in der dem halbwalzenförmigen Element gegenüber­ liegendem Teil der Hohlzylinderwand, oder in der Wand hinter dem halbwalzen­ förmigen Element festgehalten, so daß die Zentrifugalkraft des genannten Elements bei Rotation auf diese Wandteile direkt übertragen wird.

6. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 bis 5, aber davon abweichend, indem die Lager­ stelle für die Bolzenverbindung zwischen Scheibe und Kante des halbwalzenförmigen Elements und die Scheibe selbst, ersetzt wird durch ein gekrümmtes Verbindungselement von der Bolzenlagerstelle zu einem im Inneren der Pumpe mitdrehendem leichtgängig gelagertem Ring, geeignet auch für Drehkolbenpumpen mit mehr als einem halbwalzen­ förmigen Element, indem mehrere Ringe nebeneinander, unabhängig voneinander gelagert sind.

7. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 bis 6, aber dadurch erweitert, indem die Lagerung zum Festhalten des halbwalzenförmigen Elements, so ausgeführt wird, daß zwei oder gar mehrere Lager, in beliebiger Ausführung und Anordnung verwendet werden, wenn diese Lagerung nur eine Schwenkbewegung des genannten Elements ermöglicht.