DE3725806A1 - Drehkolbenverdichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Drehkolbenverdichter mit einem Ein- und Auslaßöffnungen aufweisenden Ge­ häuse und einem darin um eine Abtriebswelle umlau­ fend angeordneten Kolben.

Derartige Verdichter können als Kompressoren, Pumpen oder Verbrennungsmotoren eingesetzt werden. Der Wankelmotor stellt einen derartigen Drehkolbenver­ dichter dar. Die Innenkontur seines Gehäuses ist trochoidenförmig ausgebildet, wodurch die Dichtungs­ leisten, die an den Spitzen eines im wesentlichen dreieckig geformten Kolbens angeordnet sind, stark unterschiedlichen Belastungen während einer Um­ drehung des Kolbens ausgesetzt sind. Insbesondere im Bereich der Einschnürung der Innenkontur erfahren die Dichtungsleisten sehr starke und sehr schnelle Schwankungen des Druckes, mit dem sie an der Innen­ kontur anliegen. Der Verschleiß dieser Dichtungen, sowie die aufwendige Bauweise sowohl der Innenkontur als auch des Kolbens und des Räderwerkes im Innern des Kolbens, mit dem der Kolben um die Abtriebswelle rotiert, stellen Nachteile für den Wankelmotor dar, die zum einen seine Herstellungskosten und zum ande­ ren seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit nachteilig beeinflussen.

Weiterhin eignet sich der Wankelmotor konstruktions­ bedingt nicht als Dieselmotor. Lediglich durch großen baulichen Aufwand mit einem Niederdruckteil als Vorverdichter und einem Hochdruckteil und mit dementsprechend zwei erforderlichen Kolben läßt sich der der Wankelmotor an die Diesel-Arbeitsweise an­ passen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drehkolbenverdichter zu schaffen, bei dem die Kraftübertragung zwischen dem Kolben und der Ab­ triebswelle ohne Zahnräder erfolgt, bei dem die Innenkontur des Gehäuses sowie die Außenkontur des Kolbens einfach gestaltet werden kann, welcher eine geringe Beanspruchung der am Kolben angeordneten Dichtungen gewährleistet, und welcher auch als Dieselmotor einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Ausbildung eines Drehkolbenverdichters gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1. Die Herstellung einer runden Innen­ kontur für das Gehäuse eines Drehkolbenverdichters ist mit einfachen Mitteln herstellbar. Darüberhin­ aus ergibt sich aus einer runden Innenkontur ohne Vorsprünge, Einbuchtungen oder dgl., daß am Kolben angeordnete umlaufende Dichtungen keine stoßartigen Belastungen erfahren, wie diese aus Unregelmäßig­ keiten im Verlauf der Innenkontur resultieren könnten.

Weiterhin wird gemäß dem Vorschlag der Erfindung der Kolben exzentrisch in dem runden Gehäuse dadurch gelagert, daß die Abtriebswelle exzentrisch zwar drehbar aber ortsfest in dem mittleren Bereich der Innenkontur angeordnet ist, wobei um diesen mittle­ ren Bereich ein umlaufend drehbeweglicher Drehring angeordnet ist, welcher einen sich parallel zur Abtriebsachse erstreckenden Führungsbolzen auf­ nimmt, wobei der Führungsbolzen den Kolben festlegt und die Abtriebswelle mit einem Steuerschlitten fest verbunden ist, der in einer Ausnehmung im mittleren Bereich des Kolbens geführt wird, wobei diese Ausnehmung länger ausgebildet ist, als es der Länge des Steuerschlittens entspricht. Diese Ausge­ staltung des Drehkolbenverdichters verzichtet auf die Verwendung von in der Herstellung aufwendigen Zahnrädern und ermöglicht die Führung des Kolbens in einem runden Raum.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben. So ist beispielsweise der Kolben vorteilhafterweise ellip­ tisch ausgebildet und weist zwei Dichtungen an den beißen äußersten Punkten seiner Längsachse auf.

Ein als Verbrennungsmotor ausgeführtes Beispiel für einen Drehkolbenverdichter gemäß der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 die Draufsicht auf eine Seitenfläche im Innenraum eines derartigen Motors, wobei die Abtriebswelle, der ihr zugerodnete Steuerschlitten sowie der Kolben nicht dargestellt sind,

Fig. 2 die Ansicht von Fig. 1 mit Kolben, Ab­ triebswelle und Steuerschlitten und

Fig. 3 und 4 Ansichten ähnlich Fig. 2, wobei sich jedoch der Motor in verschiedenen Arbeitsstellungen befindet.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Gehäuse eines Drehkolbenmo­ tors schematisch dargestellt, welches eine kreisför­ mige Innenkontur 2 aufweist. Ein kreisförmiges Innenteil 3, welches in der Mitte der Innenkontur 2 angeordnet ist, weist eine Bohrung 4 zur Aufnahme der Abtriebswelle auf. Um das Innenteil 3 herum verläuft ein Drehring 5, welcher um den Mittelpunkt des Innenteils 3 drehbar gelagert ist. Der Drehring 5 nimmt einen Führungsbolzen 6 auf, der parallel zur Abtriebswelle und zur Mittelachse des Innen­ teils 3 und damit auch der Innenkontur 2 verläuft.

Wird der Drehring 5 um das Innenteil 3 gedreht, so vollführt der Führungsbolzen 6 eine Planetenbewe­ gung um die Bohrung 4 für die Abtriebswelle. Dabei beschreibt der Führungsbolzen 6 selbst eine Kreis­ bahn. Der Abstand zu der Bohrung 4 verändert sich jedoch aufgrund der exzentrischen Lage der Bohrung 4.

Das Gehäuse 1 weist an verschiedenen Stellen der Innenkontur 2 eine Einlaßöffnung E für das Frisch­ gas, sowie eine Auslaßöffnung A für das Abgas, sowie eine Zündkerze Z auf. Die Ein- und/oder Auslaßöff­ nungen E bzw. A können Ventile, beispielsweise in Form von Rückschlagventilen aufweisen, die den je­ weiligen Gaskanal abhängig von den Druckverhält­ nissen öffnen.

In Fig. 2 ist innerhalb der Innenkontur 2 ein Kolben 7 dargestellt, der in seinem mittleren Bereich eine im wesentlichen H-förmig gestaltete Ausnehmung 8 aufweist, wobei der Kolben 7 in dem einen Bereich zwischen zwei parallelen Enden der Ausnehmung 8 eine Bohrung aufweist, mit welcher der Kolben durch den Führungsbolzen 6 geführt wird.

In der Bohrung 4 für die Abtriebswelle ist in Fig. 2 eine Abtriebswelle 9 dargestellt, an der ein Schlit­ ten 10 festgelegt ist. Die Form des Steuerschlit­ tens 10 paßt sich der H-Form der Ausnehmung 8 im Kolben 7 an, wobei jedoch die Ausnehmung 8 eine größere Länge aufweist als der Steuerschlitten 10, so daß eine Längsbewegung des Kolbens 7 am Steuer­ schlitten 10 möglich ist.

Die H-Form des Steuerschlittens 10 ergibt sich aus seiner rechteckigen Grundform, wobei die Seiten­ flächen zum erzielen einer geringen Flächenpressung möglichst lang ausgebildet werden. Zu diesem Zweck umgreifen sie den Bereich, in dem der Kolben 7 den Führungsbolzen 6 aufnimmt. Da sich der Steuer­ schlitten 10 mit der Abtriebswelle 9 dreht, wird der Steuerschlitten 10 durch eine symmetrische Formgebung ausgewuchtet.

Der Kolben 7 ist elliptisch geformt, wobei er an seinen beiden Stirnseiten jeweils Dichtungen 11 auf­ weist, welche in Zusammenhang mit der elliptischen Form des Kolbens 7 und der kreisrunden Form der In­ nenkontur 2 zwei Arbeitsräume des Motors in Fig. 2 erkennen lassen. Der linke Arbeitsraum des in Fig. 2 dargestellten Motors verringert sich aufgrund der Bewegung des Kolbens 7 gegen den Uhrzeigersinn um die Abtriebswelle 9, so daß in diesem Arbeitsraum gerade das Medium verdichtet wird.

In Fig. 3 ist der in Fig. 2 dargestellte Kolben gegen den Uhrzeigersinn weiter in seiner Drehbewegung fortgeschritten und die Verdichtung im in Fig. 2 dargestellten linken Arbeitsraum ist beendet. Die Zündung durch die Zündkerze Z kann nun erfolgen.

Da der Kolben in Fig. 3 im Vergleich zum Steuer­ schlitten 10 und damit zur Abtriebswelle 9 nicht symmetrisch steht, sondern einen größeren rechten Abschnitt aufweist, bewirkt die Zündung eine weitere Drehung des Kolbens entgegen dem Uhrzeiger­ sinn. Voraussetzung dafür ist, daß der Brennraum, der vorzugsweise in der Seitenflanke des Kolbens 7 eingeformt und in den Figuren nicht dargestellt ist, mittig in einer Seitenflanke des Kolbens 7 angeordnet ist, wobei eine derartige Seitenflanke von einer zur nächsten Dichtung 11 definiert wird.

Bei einer außermittigen Lage der Brennkammer, beispielsweise einer in Fig. 3 in der unteren Seitenflanke weit rechts angeordneten Brennkammer, kann die Zündung auch schon zu einem gegenüber Fig. 3 früheren Zeitpunkt erfolgen, d. h. bei einer Stellung des Kolbens 7, die gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Stellung im Uhrzeigersinn verschoben ist. Wichtig dabei ist, daß die Brennkammer oder zumindest der größere Teil der Brennkammer sich rechts von der Abtriebswelle 9 befindet, so daß der Verbrennungsdruck den Kolben 7 gegen den Uhr­ zeigersinn um die Abtriebswelle 9 treibt.

In Fig. 4 ist der Kolben 7 durch die Verbrennung, die bei seiner Stellung nach Fig. 3 erfolgt ist, gegen den Uhrzeigersinn weiter gedreht worden, so daß mittlerweile der Verbrennungsraum eine Ver­ bindung zum Auslaß A aufweist, so daß die ver­ brannten Gase durch diesen Auslaß ausgestoßen werden können.

Anschließend überstreicht die Dichtung den Einlaß E in der Innenkontur 2, so daß der Kolben eine Stellung einnimmt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, wobei diesmal die rechte Arbeitskammer des Motors betrachtet wird. Jetzt kann Frischgas in die Arbeitskammer gelangen. Sobald sich der Kolben soweit gedreht hat, daß die in Drehrichtung hinten liegende Dichtung 11 einer Arbeitskammer an dem Einlaß E vorbei gestrichen ist, befindet sich diese Arbeitskammer in der in Fig. 2 dargestellten Stellung der linken Arbeitskammer, d. h. die Ver­ dichtung des Gases in dieser Arbeitskammer beginnt und der oben beschriebene Kreislauf wird erneut durchlaufen.

Ein Arbeitszyklus pro Arbeitskammer wird bei jeder Umdrehung des Kolbens und damit bei jeder Umdrehung der Abtriebswelle 9 durchlaufen. Pro Umdrehung des Motors erfolgen demnach zwei Zündungen, sofern der Motor lediglich einscheibig mit einem Kolben ausge­ stattet ist. Eine oszillierende Wirkung tritt während dieses Arbeitsverfahrens nicht auf. Die scheinbare Bewegung des Steuerschlittens 10 inner­ halb des Kolbens 7 stellt keine oszillierende Be­ wegung dar, vielmehr dreht sich der Steuerschlitten 10 mit der Abtriebswelle 9 ortsfest, und der Kolben 7 wandert, durch den Führungsbolzen 6 und den Steu­ erschlitten 10 geführt, während einer Umdrehung hin und her. Dabei stellt auch diese Bewegung keine rein oszillierende, sondern vielmehr eine Art Tau­ melbewegung dar, bei der sich eine oszillierende und eine kreisende Bewegung überlagern.

Eine Veränderung des Hubraumes kann bei dem vorge­ schlagenen Drehkolbenmotor zum einen durch unter­ schiedliche Abmessungen des Motors erreicht werden oder durch die Kopplung mehrerer Verbrennungsräume und mehrerer Kolben nach Art eines mehrscheibigen Drehkolbenmotors.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können Ein- und Auslässe für den Drehkolbenmotor nicht nur radial in dem Gehäuse 1 angeordnet sein, sondern können auch axial in die Seitenfläche zwischen dem Drehring 5 und der Innenkontur 2 münden, so daß eine Steuerung der Ein- und Aus­ laßzeiten nicht durch das Überstreichen der Ein- oder Auslässe durch die Dichtungen 11 erfolgt, sondern auch die Bewegung des Kolbens 7, der mit seiner Seitenfläche die Ein- oder Auslaßöffnungen abdeckt bzw. freigibt. Dabei ist auch eine Kom­ bination denkbar, bei der beispielsweise der Einlaß wie im Ausführungsbeispiel radial erfolgt, der Aus­ laß dagegen axial angeordnet ist.

Durch eine derartige Ausgestaltung läßt sich die weitgehende Überschneidung vermeiden, die in der Zeichnung dargestellt ist und bei der sowohl Einlaß als auch Auslaß für eine Arbeitskammer des Motors gleichzeitig offen sind. Eine derartige Überschnei­ dung von Ein- und Auslaß steht der Wirkungsweise des Motors jedoch nicht entgegen, wie dies das Beispiel des in der Serienfertigung hergestellten und betrie­ benen Wankelmotors zeigt und wie sie auch von Hub­ kolbenmotoren bekannt ist.

Im Gegensatz zum Wankelmotor erfolgt eine Ver­ größerung des Arbeitsraumes nach der Zündung bei dem dargestellten Motor wesentlich langsamer dadurch, daß die Innenkontur 2 des Gehäuses 1 kreisrund aus­ gebildet ist und sich nicht, wie bei der Trochoiden­ form des Wankelmotors nach einer Einschnürung re­ lativ schnell erweitert, so daß aufgrund dieser langsamen Erweiterung des Brennraumes der durch die Verbrennung erzeugte Druck wesentlich länger ausge­ nutzt wird und einen besseren Wirkungsgrad des Motors bewirkt.

Aufgrund der Möglichkeit, den Brennraum durch ein großflächig enges Anliegen des Kolbens 7 an der Innenkontur 2 äußerst klein zu gestalten, können im Gegensatz zum Wankelmotor hohe Verdichtungslei­ stungen erreicht werden, so daß der vorgeschlagene Motor auch als Dieselmotor Verwendung finden kann. Beim Wankelmotor hingegen, wo die Zündung im Be­ reich der Einschnürung der Innenkontur erfolgt, sind während der Zündung zwangsläufig rechts und links neben der Einschnürung zwei Abschnitte des Brennraumes vorhanden, welche sich zwischen dem Kolben und der Innenkontur des Gehäuses erstrecken und durch den in die Seitenflanke des Kolbens einge­ arbeiteten Brennraumabschnitt verbunden werden. Diese beiden außerhalb des Kolbens liegenden Brenn­ raumabschnitte schränken den maximal erzielbaren Verdichtungsgrad des Wankelmotors unweigerlich ein und verhindern seine Eignung als Dieselmotor.

Claims (11)

1. Drehkolbenverdichter mit einem Ein- und Aus­ laßöffnungen aufweisenden Gehäuse und einem darin um eine Abtriebswelle umlaufend ange­ ordneten Kolben, gekennzeichnet durch

• a) eine im wesentlichen kreisrunde Innenkon­ tur (2) des Gehäuses (1),
• b) ein fest mit dem Gehäuse (1) verbundenes, unbewegliches und kreisrundes Innenteil (3) zentrisch in der Innenkontur (2),
• c) eine exzentrisch im Innenteil (3) angeord­ nete Abtriebswelle (9),
• d) einen um das Innenteil (3) umlaufenden Drehring (5), welcher einen sich parallel zur Abtriebswelle (9) erstreckenden Führungsbolzen (6) für den Kolben (7) auf­ nimmt,
• e) einen im wesentlichen elliptisch ausgebil­ deten Kolben (7),
• f) einen den Kolben (7) führenden Steuer­ schlitten (10), der fest mit der Abtriebs­ welle (9) verbunden ist und dessen Längs­ achse durch die Abtriebswelle (9) und den Führungsbolzen (6) verläuft,
• g) eine Ausnehmung (8) im mittleren Bereich des Kolbens (7) zur Aufnahme des Steuer­ schlittens (10), die der Form des Steuer­ schlittens (10) angepaßt ist, jedoch eine größere Längserstreckung aufweist als der Steuerschlitten (10).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Führungsbolzen (6) im rechten Winkel durch die Längsachse des Kol­ bens (7) verläuft.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekenn­ zeichnet durch einen im wesentlichen recht­ eckig ausgebildeten Steuerschlitten (10).

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Ausnehmungen an den beiden Stirnseiten des Steuerschlittens (10), wobei die Ausnehmungen breiter sind und sich weiter zu der Abtriebs­ welle (9) erstrecken, als es dem Durchmesser des Führungsbolzens (6) entspricht.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung des Verbrennungsraumes in der Umfangsfläche des Kolbens (7).

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Dichtungen (11) an den beiden am weitesten entfernten Punkten des Kolbens (7), die sich über die gesamte Breite der Umfangsfläche des Kolbens (7) gegen die Innenkontur (2) er­ strecken.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Dichtungen an den Seitenflächen des Kolbens (7), die kreisrund oder elliptisch ausge­ bildet sind und sich gegen die Seitenflächen des Gehäuses (1) erstrecken.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anordnung von Ventilen in den Ein- und/oder Auslaßöffnungen (E bzw. A).

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ventile als Rückschlagventile ausgebildet sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ein- und/oder Auslaßöffnung (E bzw. A) in die Innenkontur (2) mündet.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vor­ hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ein- und/oder Auslaßöffnung (E bzw. A) in die Seitenfläche mündet.