DE4025406A1 - Rotationslaeufermaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationsläufermaschine zur Betriebsweise als Verdichter oder als Verbrennungsmotor, mit einem Rotatorgehäuse, in welchem ein Arbeitsläufer drehbar angeordnet ist, der zwischen sich und der Innenwand des Rotatorgehäuses zumindest eine Kammer veränderbarem Volumens bildet, wobei in jede Kammer zumindest eine Einlaß- und/oder Auslaßöffnung mündet.

Rotationsläufermaschinen besitzen gegenüber herkömmlichen Zylinder-Kolben-Anordnungen den Vorteil, einen gleichförmigeren und damit ruhigeren sowie verschleißfreieren Betrieb zu gewährleisten. Aufwendiger ist hierbei jedoch das Problem zu lösen, die in ihrem Volumen sich stetig ändernden Kammern auf möglichst einfache und zuverlässige Weise gegenseitig abzudichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationsläufermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich durch einen möglichst einfachen Aufbau auszeichnet, hierdurch weitgehend wartungs- und verschleiffrei arbeitet und dabei eine ausreichende Abdichtung der Kammern sicher stellt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Arbeitsläufer zylindrisch ausgebildet und mit mindestens einer radial vorstehenden Schaufel versehen ist, deren Stirnseite der zylindrischen Innenwand des Rotatorgehäuses anliegt und daß innerhalb des Rotatorgehäuses zumindest ein im wesentlichen zylindrischer Synchronläufer vorgesehen ist, der in festem Drehzahlverhältnis mit dem Arbeitsläufer in Drehverbindung steht und achsparallel zu diesem so angeordnet ist, daß die Zylinderflächen des Arbeitsläufers und des Synchronläufers einander berühren, wobei der Synchronläufer mit einer oder mehreren Aussparungen versehen ist, in die die Schaufel des Arbeitsläufers eintritt, deren Form so gewählt ist, daß das freie Stirnende der Schaufel stets der Wand der Aussparung dichtend anliegt.

Der durch die Erfindung erreichte Vorteil besteht zunächst darin, daß nur eine geringe Zahl bewegter Teile benötigt wird, wodurch sich ein einfacher und preiswerter Aufbau ergibt. Zu den Vorteilen eines vibrationsarmen Laufes kommt hinzu, daß zusätzliche Schwung- und Ausgleichsmassen nicht erforderlich sind, wobei darüber hinaus die Möglichkeit besteht, in den bzw. die Synchronläufer Elektromotoren oder Generatoren zu integrieren.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung sind zwei Synchronläufer vorgesehen, deren Achsen sich bezüglich der Achse des Arbeitsläufers diametral gegenüber stehen. Hierbei ist es weiter von Vorteil, wenn der Arbeitsläufer und der/die Synchronläufer gleichen Durchmesser aufweisen, da dann wegen der geforderten gleichen Umfangsgeschwindigkeit auch die Drehzahl zwischen Arbeitsläufer und Synchronläufer gleich ist.

Der Arbeitsläufer ist zweckmäßigerweise mit zwei diametral zueinander angeordneten Schaufeln versehen, wodurch insgesamt vier Kammern gebildet werden, soweit die Schaufeln sich nicht in den Aussparungen der Synchronläufer befinden. Dadurch werden pro Umdrehung insgesamt vier Verdichtungsvorgänge möglich; entsprechend sind dies bei der Verwendung als Verbrennungsmotor zwei Arbeitstakte. Die Synchronläufer weisen dann zweckmäßigerweise zwei axial gegenüberliegende Aussparungen auf.

Weiter ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, daß die Synchronläufer auf ihrer dem Arbeitsläufer abgewandten Seite im Rotatorgehäuse formschlüssig gelagert sind. Hierdurch wird eine besonders gute Abdichtung auf relativ einfache Weise erreicht.

Die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen sind zweckmäßigerweise im Boden des Rotatorgehäuses im Bereich des bei der Berührungslinie vom Arbeits- und Synchronläufer gebildeten Zwickel angeordnet.

Bei einer Betriebsweise als Verbrennungsmotor gemäß dem Vier-Takt-Prinzip sieht die Erfindung vor, daß die Auslaßöffnung der einen Kammer mit der Einlaßöffnung der anderen Kammer durch einen Überströmkanal miteinander verbunden sind, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnung jeweils mit einem Einlaß- bzw. Auslaßventil versehen ist. Dies ist notwendig, da die Verdichtung des Benzin-Luft-Gemisches in einer der Kammern erfolgt, die Verbrennung jedoch erst in der nachfolgenden Kammer vorgenommen werden kann. Daher muß das verdichtete Gemisch durch den Überströmkanal in die in Drehrichtung nachfolgende Kammer überführt werden. Dabei kann in einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung der Überströmkanal eine Kolben-Zylinder-Anordnung aufweisen, wobei die Einlaß- und Auslaßöffnung in den Zylinderraum münden und der Kolben gegen eine Kolbenfeder verstellbar ist. Hierbei hat es sich weiter als zweckmäßig herausgestellt, wenn im Überströmkanal beidseits ein Anschlag für den Kolben vorgesehen ist, wodurch dessen Verstellhub in beiden Richtungen begrenzt wird.

Ebenso ist es jedoch auch möglich, den Überströmkanal als Brennkammer auszubilden, die mit einer Einspritzdüse für den Kraftstoff versehen ist. In diesem Fall erfolgt lediglich eine Verdichtung der Luft, der dann in der Brennkammer der Kraftstoff zugefügt wird. Die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt dann ebenfalls in dieser Brennkammer.

Im folgenden wird die Erfindung an in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine Rotationsläufermaschine nach der Erfindung zur Betriebsweise als Verdichter,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1, jedoch zur Betriebsweise als Verbrennungsmotor,

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 2 in betriebsgemäßem Zustand,

Fig. 4 in den Teilfiguren a bis d die Arbeitsweise des Überströmkanals beim Einsatz der Rotationsläufermaschine als Verbrennungsmotor.

Die in der Zeichnung dargestellte Rotationsläufermaschine kann sowohl als Verdichter wie auch als Verbrennungsmotor - mit den entsprechenden baulichen Anpassungen - betrieben werden. In der Fig. 1 ist die Betriebsweise als Verdichter, in den Fig. 2 bis 4 dagegen als Verbrennungsmotor gezeigt.

Die Rotationsläufermaschine weist zunächst ein Rotatorgehäuse 1 auf, in welchem ein Arbeitsläufer 2 drehbar angeordnet ist. Zwischen dem Arbeitsläufer 2 und der Innenwand des Rotatorgehäuses 1 werden mehrere Kammern 3 gebildet, deren Volumen sich mit der Drehung des Arbeitsläufers 2 ändert. Weiter mündet in jede Kammer 3 jeweils eine Einlaß- bzw. Auslaßöffnung 4, 5.

Der Arbeitsläufer 2 ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und mit zwei radial vorstehenden Schaufeln 6 versehen. Die Stirnseite der Schaufeln 6 liegt der zylindrischen Innenwand des Rotatorgehäuses 1 an, wobei stirnseitig zur besseren Abdichtung Dichtleisten 7 vorgesehen sein können.

Innerhalb des Rotatorgehäuses 1 sind zwei ebenfalls im wesentlichen zylindrische Synchronläufer 8 vorgesehen, die in festem Drehzahlverhältnis mit dem Arbeitsläufer 2 in Drehverbindung stehen. Diese Synchronläufer 8 sind achsparallel zum Arbeitsläufer 2 ausgerichtet und so angeordnet, daß die Zylindermantelflächen des Arbeitsläufers 2 und des Synchronläufers 8 einander berühren.

Die Synchronläufer 8 sind jeweils mit zwei Aussparungen 9 versehen, in die jeweils eine Schaufel 6 des Arbeitsläufers 2 bei entsprechender Drehstellung eintreten kann. Die Form der Aussparung 9 ist dabei so gewählt, daß das freie Stirnende 6 der Schaufel unabhängig von der jeweiligen Drehstellung stets der Wand der Aussparung 9 dichtend anliegt.

Die beiden Synchronläufer 8 sind im einzelnen so angeordnet, daß deren Achsen 8.1 sich bezüglich der Achse 2.1 des Arbeitsläufers 2 diametral gegenüberstehen. Weiter weisen der Arbeitsläufer 2 und die Synchronläufer 8 gleichen Durchmesser auf, so daß diese mit gleicher Drehzahl aneinander jeweils in gegensinniger Drehrichtung ablaufen.

Bedingt durch die zwei Schaufeln 6 und die gleiche Drehzahl weisen die Synchronläufer 8 zwei sich axial gegenüberstehende Aussparungen 9 auf.

Die Synchronläufer 8 sind auf ihrer dem Arbeitsläufer 2 abgewandten Seite im Rotatorgehäuse 1 formschlüssig in einer zylindrischen Ausnehmung gelagert, wodurch eine gute Abdichtung längs der Mantelfläche der Synchronläufer 8 erreicht wird.

Die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 4, 5 sind im Boden des Rotatorgehäuses 1 im Bereich des bei der Berührungslinie vom Arbeits- und Synchronläufer 2, 8 gebildeten Zwickel angeordnet.

Der Arbeitsläufer 2 und die Synchronläufer 8 sitzen auf in der Zeichnung nicht näher dargestellten Wellen, die ihrerseits jeweils ein Zahnrad tragen können, über die die Synchronisation zwischen dem Arbeitsläufer 2 und den Synchronläufern 8 erreicht werden kann. Dreht sich also der Arbeitsläufer 2 in durch den Pfeil dargestellter Weise im Uhrzeigersinn, so drehen sich die beiden Synchronläufer 8 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit in entgegengesetzter Richtung. Durch den Antrieb des Arbeitsläufers 2 vergrößern bzw. verkleinern sich die Kammern 3 vor bzw. hinter den Schaufeln 6 kontinuierlich. Somit wird jeweils in Drehrichtung gesehen hinter der Schaufel 6 durch die Einlaßöffnung 4 Luft, Flüssigkeit oder dergl. angesaugt, während das vor der Schaufel 6 befindliche Medium durch die Auslaßöffnung 5 ausgepreßt wird. Durch die weitere Drehbewegung des Arbeitsläufers 2 tauchen schließlich die Schaufeln 6 in die Aussparungen 9 der Synchronläufer 8 ein und überschreiten hierbei zunächst die Auslaß- 5 und anschließend die Einlaßöffnungen 4. Auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Transport des über die Einlaßöffnung 4 angesaugten Mediums zur Auslaßöffnung 5 hin erreicht.

Bei der Betriebsweise der Rotationsläufermaschine als Verbrennungsmotor nach dem Vier-Takt-Prinzip gemäß den Fig. 2 bis 4 ist die Auslaßöffnung 5 der einen Kammer 3.1 mit der Auslaßöffnung 4 der anderen Kammer 3 durch einen Überströmkanal 10 miteinander verbunden. Zusätzlich sind hier die Einlaß- und Auslaßöffnung 4, 5 jeweils mit einem Einlaß- 11.1 bzw. Auslaßventil 11.2 in Form eines Drehschiebers 11 versehen, um ein Rückströmen des verdichteten Gemischs zu verhindern. Der Überströmkanal 10 weist zusätzlich eine Kolben-Zylinder-Anordnung auf, wie dies aus der Fig. 4 ersichtlich ist. Die Einlaß- und Auslaßöffnung mündet dabei jeweils in den Zylinderraum 12, wobei der Kolben 13 gegen eine Kolbenfeder 14 verstellbar ist. Zusätzlich ist im Überströmkanal beidseits ein Anschlag 15 für den Kolben 13 vorgesehen, wodurch dessen maximaler Hub begrenzt wird.

Aus der Fig. 3 lassen sich die vier Arbeitstakte des Motors, nämlich zunächst das Ansaugen, dann das Verdichten und schließlich das Zünden des Gemischs durch eine Zündkerze 16 sowie das abschließende Ausstoßen der Verbrennungsrückstände erkennen. Die in der Fig. 3 untere Schaufel 6 saugt in Drehrichtung hinter sich Luft oder ein Luft-Treibstoffgemisch an. Vor dieser unteren Schaufel 6 wird das durch die nun nach oben weisende andere Schaufel 6 zuvor angesaugte Gemisch verdichtet. In Drehrichtung hinter der oberen Schaufel 6 hat durch Zündung des Gemischs gerade der dritte Takt, nämlich der Arbeitstakt stattgefunden, während in Drehrichtung vor der oberen Schaufel 6 die Verbrennungsrückstände durch die Auslaßöffnung 5 ausgestoßen werden.

Das verdichtete Gemisch aus der linken unteren Kammer 3.1 wird über den Überströmkanal 10 in die linke obere Kammer 3.2 überführt, wobei durch eine entsprechende Ventilsteuerung dafür gesorgt wird, daß nach dem Überströmen des Gemischs in die Verbrennungskammer 3.2 ein Rückströmen verhindert wird. Die Kolben-Zylinder-Anordnung des Überströmkanals 10 wirkt hierbei als eine Art Pufferspeicher und sorgt dafür, daß das komprimierte Gemisch während des Überströmens unter Druck gehalten wird. In der Teilfigur a) ist das Einlaßventil 11.1 geöffnet, so daß die Schaufel 6 des Arbeitsläufers 2 die Luft in den Überströmkanal 10 überführen kann, wodurch der Kolben 13 zurückgedrückt wird. Das Einlaßventil 11.1 wird gemäß Teilfigur b) geschlossen, sobald die Schaufel 6 in die Aussparungen 9 des Synchronläufers 8 eintritt. Damit befindet sich das verdichtete Gemisch vollständig im Überströmkanal 10. Sobald die Schaufel 6 das Auslaßventil 11.2 passiert hat, wird das Auslaßventil 11.2 geöffnet. Dadurch wird das Gemisch in den Verbrennungsraum 3.2 gedrückt. Nach Entleerung des Überströmkanals 10 schließt das Auslaßventil 11.2, so daß nun die Zündung des Gemisches erfolgen kann, wodurch die sich ausdehnenden Gase die Schaufel 6 weitertreiben. Zugleich öffnet das Einlaßventil 11.1 wieder, um die durch die zweite Schaufel 6 inzwischen verdichtete Luft erneut aufnehmen zu können.

Es ist jedoch auch möglich, den Überströmkanal 10 unmittelbar als Brennkammer auszubilden, der dann auch mit einer Einspritzdüse für den Kraftstoff versehen sein kann. In diesem Fall wird in den Kammern 3 der Rotationsläufermaschine lediglich die Luft verdichtet und nach Einspritzung des Kraftstoffs in die Brennkammer dort die Zündung vorgenommen. In diesem Fall entfällt der in der Fig. 4 dargestellte Kolben 13 mit der Kolbenfeder 14. Bei genügend hoher Verdichtung eignet sich dieser Aufbau auch als Selbstzündermotor.

Hinsichtlich der Materialauswahl für das Rotatorgehäuse 1 und den Arbeitsläufer 2 sowie die Synchronläufer 8 ist zu beachten, daß diese im Arbeitstemperaturbereich gasdicht einander anliegen müssen, ohne daß es zu einem gegenseitigen Verklemmen der Teile kommen darf.

Claims (12)

1. Rotationsläufermaschine zur Betriebsweise als Verdichter oder als Verbrennungsmotor, mit einem Rotatorgehäuse (1), in welchem ein Arbeitsläufer (2) drehbar angeordnet ist, der zwischen sich und der Innenwand des Rotatorgehäuses (1) zumindest eine Kammer (3) veränderbaren Volumens bildet, wobei in jeder Kammer (3) zumindest eine Einlaß- (4) und/oder Auslaßöffnung (5) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsläufer (2) zylindrisch ausgebildet und mit mindestens einer radial vorstehenden Schaufel (6) versehen ist, deren Stirnseite der zylindrischen Innenwand des Rotatorgehäuses (1) anliegt und daß innerhalb des Rotatorgehäuses (1) zumindest ein im wesentlichen zylindrischer Synchronläufer (8) vorgesehen ist, der in festem Drehzahlverhältnis mit dem Arbeitsläufer (2) in Drehverbindung steht und achsparallel zu diesem so angeordnet ist, daß die Zylinderflächen des Arbeitsläufers (2) und des Synchronläufers (8) einander berühren, wobei der Synchronläufer (8) mit einer oder mehreren Aussparungen (9) versehen ist, in die die Schaufel (6) des Arbeitsläufers (2) eintritt, deren Form so gewählt ist, daß das freie Stirnende der Schaufel (6) stets der Wand der Aussparung (9) dichtend anliegt.

2. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Synchronläufer (8) vorgesehen sind, deren Achsen (8.1) sich bezüglich der Achse (2.1) des Arbeitsläufers (2) diametral gegenüberstehen.

3. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsläufer (2) und der/die Synchronläufer (8) gleichen Durchmesser aufweisen.

4. Rotationsläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsläufer (2) mit zwei diametral zueinander angeordneten Schaufeln (6) versehen ist.

5. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronläufer (8) zwei axial gegenüberliegende Aussparungen (9) aufweisen.

6. Rotationsläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronläufer (8) auf ihrer dem Arbeitsläufer (2) abgewandten Seite im Rotatorgehäuse (1) formschlüssig gelagert sind.

7. Rotationsläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaß- (4) bzw. Auslaßöffnungen (5) im Boden des Rotatorgehäuses (1) im Bereich des bei der Berührungslinie vom Arbeits- (2) und Synchronläufer (8) gebildeten Zwickel angeordnet sind.

8. Rotationsläufermaschine zur Betriebsweise als Verbrennungsmotor gemäß dem Vier-Takt-Prinzip nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (5) der einen Kammer (3.1) mit der Einlaßöffnung (4) der anderen Kammer (3.2) durch einen Überströmkanal (10) miteinander verbunden sind, wobei die Einlaß- (4) und Auslaßöffnung (5) jeweils mit einem Einlaß- (11.1) bzw. Auslaßventil (11.2) versehen ist.

9. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (10) eine Kolben-Zylinder-Anordnung aufweist, wobei die Einlaß- (4) und Auslaßöffnung (5) in den Zylinderraum (12) münden und der Kolben (13) gegen eine Kolbenfeder (14) verstellbar ist.

10. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Überströmkanal (10) beidseits ein Anschlag (15) für den Kolben (13) vorgesehen ist.

11. Rotationsläufermaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (10) als Brennkammer ausgebildet ist, die mit einer Einspritzdüse für den Kraftstoff versehen ist.

12. Rotationsläufermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der/die Synchronläufer (8) den Läufer bzw. Anker eines Elektromotors bzw. Generators, wobei der Ständer bzw. Stator im Rotatorgehäuse (1) integriert ist.