DE4117936A1

DE4117936A1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE4117936A1
Application number: DE19914117936
Authority: DE
Inventors: Andro Caric
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-05-31
Filing date: 1991-05-31
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2011-06-01
Also published as: DE4117936C2

Description

Rotationskolbenmaschinen stellen ein Jahrhunderte altes Problem der Maschinentechnik dar.

Bis jetzt hat die Erfindung von F. Wankel, bekannt als Wankelmotor, als einzige im Bereich der Verbrennungsmaschinen Erfolg gehabt, aber nicht so weit, daß der Motor mit einem herkömmlichen Hubkolbenmotor ernstlich konkurrieren kann. Kinematisch bietet der Wankelmotor eine schöne Lösung, mechanische und thermodynamische Eigenschaften sind schlechter, die Herstellung (Trochoide) teurer und die Lebensdauer kürzer.

Caricmotor ist so ausgelegt, daß keine Nachteile des Wankelprinzips entstehen, er aber wesentliche Vorteile gegenüber dem Hubkolbenmotor hat. Die Vorteile liegen in folgenden Kriterien:

1. Einfache und billigere Konstruktion.
2. Zuverlässigkeit und höhere Lebensdauer.
3. Höherer thermischer und mechanischer Wirkungsgrad und dadurch kleinerer Kraftstoffverbrauch. Diese Vorteile sind auch dann gegeben, wenn keine keramischen Elemente eingebaut sind, obwohl Keramik, die hier als brennkammerisolierende Teile Verwendung findet, die obengenannten Wirkungsgrade noch wesentlich erhöht.
4. Für gegebene Leistung kleinere Größe und kleineres Gewicht des Motors.
5. Da die Maschine die Vorteile der Hubkolben (statische Druckerhöhung) und Strömungsmaschinen (höhere Drehzahl, stetige Förderung) vereinigt, arbeitet sie ruhiger.

Die Grundkonstruktion des Caricmotors ist auch besonders als Preßluft- oder Heißdampfmotor wie auch als Kompressor oder Pumpe geeignet.

Form und Grundkinematik

Die äußere Form des Motors ohne Lagerung und Einbauteile stellt ein Zylinderstück dar.

Im Außenrotor (Abb. 1, Teil 2), der einen röhrenförmigen Körper darstellt, befindet sich ein exzentrisch und parallel angeordneter zylinderförmiger (Abb. 1, Teil 1) Innenrotor. Beide Rotoren drehen sich mittels Kupplungselementen synchron zueinander (gleiche Winkelgeschwindigkeit). Die Kupplungselemente bestehen aus

a) Zylindersegmenten sowohl im Innen- als auch im Außenrotor, die im Schnitt ein Kreissegment bilden (Abb. 1). Sie bilden eine Art Gelenklager mit kleinen Pendeldrehbewegungen;
b) Schaufelplatten, die im Gelenklager lineare Pendelbewegung ausführen;
c) Synchronkurven (annähernd Kreis) im Innenrotor (Synchronkurven auch im Außenrotor möglich);
d) Synchrondruckflächen sowohl an der Innenseite des Außenrotors als auch am Mantel des Innenrotors, die größere asynchrone Verdrehung der Rotoren zueinander verhindern.

Der Innenrotor ist durch Wälz- oder Gleitlager in seiner Drehachse fixiert. Der Außenrotor ist vor allem bei größeren Durchmessern und bei höherer thermischer Ausdehnung durch mehrere Gleitlagersegmente oder mehrere Wälzlager federnd und pressend in seiner Achse fixiert.

Thermodynamische und mechanische Eigenschaften

Bei herkömmlichem Motoranlassen bewegen sich Außen- und Innenrotor synchron im Uhrzeigersinn. Die Arbeitskammer Nr. 1 (Abb. 1) bewegt sich in die Position 2. Die in der Kammer befindliche Luft wird komprimiert. Über die Positionen 2 und 3 steigert sich die Verdichtung, bis in der Position 4 die höchste Kompression erreicht wird (bei 8 Kammern über 4 MPa). In den Positionen 1, 2 oder 3 können regulierbar kleinere Mengen von Kraftstoff nach dem Prinzip des sogenannten Magermotors eingespritzt werden. Dabei wird der Kraftstoff optimal zerstäubt, mit der Luft vermischt und für die vollständige Verbrennung während der Expansionsphase vorbereitet. In der Position 5 wird das komprimierte Gas in die Wirbelnuten geleitet. Zum hochkomprimierten und erhitzten Gas wird zeitlich und mengenmäßig regulierbar Kraftstoff eingespritzt. Es entsteht eine explosionsartige Verbrennung mit hohem Gasdruck, die die Schaufelplatten in den Positionen 6, 7 und 8 weiter in Umfangsrichtung schiebt, wodurch die Motorarbeit geleistet wird. In der Position 8 wird die Auslaßöffnung erreicht. Das unter hohem Druck stehende Gas strömt explosionsartig aus dem Motor (Abb. 2). Durch den in der Arbeitskammer entstehenden großen Unterdruck strömt das Gas in Auslaßrichtung. In dieser Phase wird die Gasspülung der Arbeitskammer eingeleitet. Beim Erreichen der Position 8b strömt Frischluft in die Kammer ein. Durch sowohl regulierte Steuerzeiten als auch regulierbare Öffnungsquerschnitte kann, je nach Motorendrehzahl, der Gasaustausch optimal erfolgen. Ebenfalls steuerbar ist die Abgasmenge in der Arbeitskammer. Dies wirkt sich sowohl auf den Kraftstoffverbrauch bei Teillast als auch auf die Schadstoffemission günstig aus. Im Gegensatz zum Hubkolbenmotor ist hier für Spülung und Frischladung erforderliche kurze Zeit gegeben, da das wesentlich beweglichere Gas nicht der Trägheit des Kolbens zu folgen braucht. Hier werden bei einer Umdrehung des Motors alle Arbeitsgänge ausgeführt. Es ist klar, daß dadurch bei gleichen Abmessungen gegenüber einem Viertakter die doppelte Leistung erreicht wird. Da der Caricmotor keine Hubkolben hat, die mehrere tausendmal in der Minute hin und her auf hohe Geschwindigkeit beschleunigt und gebremst werden, braucht man geringere Festigkeit. Da außerdem weder Ventile noch ungünstig oszillierende Massenkräfte vorhanden sind, können sehr hohe Drehzahlen erreicht werden. Durch Aufladung kann die Drehzahl noch weiter gesteigert werden (ca. mehr als das Dreifache gegenüber dem Hubkolbenmotor). Die Festigkeit begünstigt folgender Umstand: Zwischen den Arbeitskammern gibt es gestufte Druckgefälle, so daß die Schaufelplatten nur mit der Druckdifferenz belastet werden. Hier ist also hoher Arbeitsdruck möglich. Da die Verbrennungskammer durch die keramischen Teile besser wärmeisoliert ist, sind höhere Arbeitstemperaturen möglich. Beide Faktoren führen zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad.

Der Hubkolbenmotor ist sowohl thermisch als auch mechanisch nicht so belastbar wie der Caricmotor. Die Belastbarkeit des Wankelmotors ist noch geringer. Hier sollen noch einige zusätzliche Nachteile des Wankelmotors erwähnt werden: 1. Die einseitige Erhitzung des Stators, was zur Deformierung und höherem Verschleiß der Arbeitsfläche führt. 2. Das Gleiten der Dichtungsleiste und ihr Verschleiß an der Trochoidefläche des Stators. 3. Schlechtes Motorstarten wegen mangelhafter Dichtung bei niedrigerer Drehzahl. 4. Begrenzter Verdichtungsgrad (bis 0,95 MPa).

Beim Caricmotor (Abb. 4) wird das Öl mittels einer Pumpe durch einen Kanal in der Mitte der Innenrotorachse eingelassen. Von diesem Kanal gelangt das Öl durch die von der Mitte nach außen radial verlaufenden Verteilungskanäle in die Synchronräume des Innenrotors. Von hier aus strömt das Öl durch die Schaufelplatten in die Leerräume des Außenrotors. Von hier aus strömt das Öl durch die vorgesehenen Kanäle und Bohrungen an der Mantelseite des Außenrotors aus dem Motor. Zusätzlich zur Pumpenkraft schleudert die Zentrifugalkraft das Öl aus dem Motor. Durch die Pendelbewegungen der Schaufelplatten und der Zylindersegmente wird das Öl dosiert und dichtend, kühlend und schmierend an die relevanten Stellen gefördert. Die starke Ölbewegung kühlt den Motor. Hierbei muß erwähnt werden, daß hoher Gasdruck die Möglichkeit des Eindringens des Öls in die Arbeitskammer verhindert.

Abb. 4

1 = IR = Innenrotor
1.1  IR-Körper mit Antriebsachse
1.2  Einlaßbohrung für Kühl- und Schmiermittel
1.3  Radialbohrung
1.4  IR-Kammerwand
1.5  Synchronbohrung
1.6  IR-Wirbelnute oder Kraftstoffeinspritzkanal
1.7  Halteschraube für IR-Kammerwand
1.8  Tellerfeder
1.9  Schraube mit Bohrung (sie hält die Tellerfeder)
1.10 Schraubenmutter, hält mittels der Tellerfedern elastisch die IR-Kammerwand

2 = AR = Außenrotor
2.1  AR-Ringfassung
2.2  AR-Kammerwand
2.3  Stützsegment des Gleitlagers
2.31 Kühl- und Schmiermittelkanäle
2.4  AR-Schraube, hält elastisch
mittels der Tellerfedern die Kammerwand
2.5  Tellerfeder
2.6  AR-Wirbelnute oder Kraftstoffeinspritzkanal

3 = Teilzylinder
3.1  Teilzylinder des IR-Gelenklagers
3.2  Teilzylinder des AR-Gelenklagers
3.3  Haltestiftführung in 3.1
3.4  Haltestiftführung in 3.2

4 = Schaufelplatte
4.1  Schaufelplattenbohrung für Kühl- und Schmiermittel
4.2  Haltestift (s. Abb. 3)
4.3  Teilzylinderabstandsstift (s. Abb. 3)
4.4  Aussparung für Teilzylinderabstandsstift (s. Abb. 3)
4.5  Öldichtleiste oder Weichpackung (falls nötig)

5 = Motordeckel (Einlaßseite) (rotiert nicht)
5.1  Lufteinlaßbohrung
5.2  Einspritzdüse
5.3  Kühl- und Schmiermittelkanal

6 = Motordeckel (Auslaßseite) (rotiert nicht)
6.1 Auspufföffnung

7 = Hydraulikkolben,
der den Motor regulierbar durch den Arbeitskammerdruck an den Auslaßmotordeckel andrückt
7.1 Hydrauliköl

8 = Hydraulische Motorlagerung
in einem Kugelgelenk

AS Ausschnitt durch die Kühl-, Schmier- und Dichtmittelkanäle

Abb. 6
(Ergänzung der Abb. 4 für nicht dargestellte Teile)

IR = Innenrotor, AR = Außenrotor
1.41 IR-Kammerwandsegment
1.42 Federblattschalen, die bei Druckbelastung im mittleren Bereich auf den IR-Körpern liegen und an den Teilzylindern gleitend als Dichtung wirken
2.41 AR-Kammerwandsegment
2.42 Federblattschalen, die bei Druckbelastung im mittleren Bereich auf den AR-Körpern liegen und an den Teilzylindern gleitend als Dichtung wirken
2.32 Dehnungsfuge
5/6 Abstandsbolzen für Motordeckel
6    Motordeckel
9    Tragrolle für AR
9.1  Schwingungsdämpfende Rolle für AR (anstelle der trag- und schwingungsdämpfenden Rollen kann man hydrostatische wie auch hydrodynamische Lagersegmente einbauen)
10    Gehäuse
10.1  Gehäusedeckel
10.12 Justier- und Haltebolzen für Motordeckel
10.2  Zylinderrollenlager
11    Kopplungshülse für Kühl- und Schmiermittel (rotiert nicht)

KE Eingang für Kühl- und Schmiermittel
KA Ausgang für Kühl- und Schmiermittel
S Die Strömungsräume für Kühl- und Schmiermittel sind schwarz dargestellt.

Claims

1. Rotationskolbenmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Pendelschaufelplatten durch jeweils zwei Teilzylinder linear und drehend in zwei ineinander exzentrisch und parallel angeordneten Rotoren gelagert sind, so daß die Pendelschaufelplatten im Berührungsbereich der beiden Rotoren diese zu einer synchronen Rotation koppeln und miteinander verbinden, wodurch zwischen diesen mehrere Arbeitskammern entstehen. Die Arbeitskammer ist dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Segmenten besteht, die Wärmedehnung, Kühlung und Schmierung mittels eines Mediums ermöglichen. Das Medium kreist von der Bohrung im Innenrotor, aber auch vom Seitendeckel über die Synchronkammern, Pendelschaufelplatten und Außenrotor nach außen axial und radial weiter in einen Kühlbehälter, von hier aus gelangt es mittels einer Pumpe wieder zurück in die Bohrung des Innenrotors; der Seitendeckel ist dadurch gekennzeichnet, daß dieser pneumatisch oder hydraulisch durch das Arbeitsmedium, das aus einer Arbeitskammer mit hohem Druck kommt, oder durch eine Pumpe an die Rotoren dichtend angepreßt wird.

2. Lagerung der Rotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Innenrotor auf eigener Achse sitzt, der Außenrotor aber durch Lagersysteme (Gleitlager, Wälzlager oder Rollen) von seiner Mantelfläche getragen wird.

3. Pendelschaufelplatten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit Bohrungen für den Transport von Kühl-, Schmier- und Dichtmittel,
mit Haltestiften an beiden Längsseiten,
mit Dichtleisten an ihren Stirnseiten und
mit kleinen Vertiefungen für dosierte Schmierung ausgestattet sind.

4. Teilzylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie mit Fugen für die Haltestifte der Pendelschaufelplatten,
mit Dichtleisten an ihren Stirnseiten,
mit kleinen Vertiefungen für dosierte Schmierung an der Mantelfläche und
mit den Abstandshaltestiften ausgestattet sind.

5. Äußere Arbeitskammersegmente im Außenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die äußere Segmentreihe Sitz für Teilzylinder mit Pendelschaufelplatte bildet,
daß zwischen diesen Dehnungsfugen vorhanden sind,
daß sie mit Kanälen an dem Sitz der Teilzylinder für das Kühl-, Schmier- und Dichtungsmittel,
mit Kanälen für den Ausfluß dieses Mittels in radiale und axiale Richtung und
mit Dichtleisten an ihren Stirnseiten ausgestattet sind.

6. Innere Arbeitskammersegmente im Außenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie als Kammerwand ebene oder runde Flächen haben und eine elastische Dichtungstraverse zwischen den Teilzylindern bilden,
daß sie Teilzylinder in ihrem Lagersitz halten,
daß sie aus einem oder mehreren elastischen, wärmeisolierenden, geschichteten Teilen bestehen,
daß sie sich bei hohem Druck durch die elastische Verformung an die äußeren Arbeitssegmente stützen,
daß sie mit den äußeren Arbeitssegmenten durch Schrauben federnd befestigt sind,
daß sie mit Dichtelementen an ihren Stirnseiten und
mit Vertiefungen für Einspritzung und Mischung mit dem Kraftstoff ausgestattet sind.

7. Arbeitskammersegmente im Innenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß sie als Kammerwand ebene oder runde Flächen haben und elastische Dichtungstraversen zwischen den Teilzylindern bilden,
daß sie Teilzylinder in ihrem Lagersitz halten,
daß sie aus einem oder mehreren elastischen, wärmeisolierenden, geschichteten Teilen bestehen,
daß sie sich bei hohem Druck durch die elastische Verformung an die äußeren Arbeitssegmente stützen,
daß sie mit dem Innenrotor durch Schrauben federnd befestigt sind,
daß sie mit Dichtelementen an ihren Stirnseiten und
mit Vertiefungen für Einspritzung und Kraftstoffmischung ausgestattet sind.

8. Innenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in der Mitte seiner Achse eine Bohrung für den Zulauf eines Kühl-, Schmier- und Dichtungsmittels vorhanden ist,
daß aus dieser Bohrung für jede Arbeitskammer mehrere Bohrungskanäle, radial bis zur Oberfläche und zur Mitte zwischen zwei Teilzylinderlagern verlaufend, angebracht sind,
daß aus der Öffnung dieser Bohrungen Kanäle zu den Teilzylinderlagern in die Synchronbohrung führen,
daß für Teilzylinder Lagerflächen vorhanden sind,
daß neben dem Lager für die Teilzylinder in der Richtung zur Mitte die Synchronbohrungen angebracht sind, an deren Flächen sich eine Seite der Pendelschaufelplatten, die andere Seite aber im Teilzylinderlager stützt und dadurch im Berührungsbereich der Rotoren eine synchrone, gekoppelte Rotation folgt.

9. Seitendeckel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß bei den Verbrennungskraftmaschinen die Öffnungen für den Gasaus- und -einlaß nur im Bereich der maximalen Kammervolumen angebracht sind,
daß die Auslaßlöffnung gegenüber der Einlaßöffnung vorverlegt ist,
daß im Kompressionsbereich Bohrungen angebracht sind, die zum Kraftstoffeinspritzen und Einbau der Sensoren dienen,
daß ausreichende Flächen- und Kanalkühlung vorhanden ist,
daß für andere Maschinen wie Motoren, Pumpen und Kompressoren der Arbeitsraum im Druck- und Saugteil isoliert geteilt wird, die Kammern mit dem kleinsten und größten Volumen gedeckt sind und andere Teile des Arbeitsraumes voll zum Gasaustausch dienen,
daß der Abstand zwischen den Deckeln durch Schraubenbolzen gesichert wird,
daß die Schraubenbolzen Bohrungen haben, durch welche das aus der Maschine kommende und erwärmte Öl fließen kann, damit die thermische Ausdehnung der Maschine gleich mit der Ausdehnung der Abstandsbolzen bleibt.

Patentfähig unter Schutz gestellt werden sollen Verbrennungskraftstoffmotoren, pneumatische und hydraulische Motoren, Pumpen und Kompressoren.