DE4117936C2 - Rotationskolbenmaschine - Google Patents

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, die mechanischen und thermodynamischen Eigen­ schaften sind aber schlechter, die Herstellung (Epitrochoide) teuerer und die Lebensdauer kürzer als beim Hubkolbenmotor.

Durch die lange Reihe der Mißerfolge ist im Maschinenbau ein uner­ schütterliches Dogma entstanden mit dem Glaubenssatz, daß es nicht möglich ist, eine Rotationsverbrennungsmaschine zu konstruieren, die bessere Eigenschaften haben kann als ein Hubkolbenmotor.

Dieses Vorurteil zu widerlegen, ist das Ziel dieser Erfindung.

Aus Überlegungen geht hervor, daß eine Rotationskolbenmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die besten Chancen für den Bau eines Verbrennungsmotors hat. Dies gilt im allgemeinen auch für Verdränger­ maschinen.

Ein bekannter Versuch, eine solche Maschine zu konstruieren, ist 1929 im US-Patent 1618806 - (Re. 17 326) von H. A. Bullard dargestellt. Die späteren Bemühungen anderer Erfinder haben keine wesentliche Verbesserung gebracht und zu keinem Erfolg geführt.

Die Maschine nach der US PS 1618806 hat kein ausreichendes System für den Einsatz des flüssigen Schmier-, Kühl- und Dichtmittels und führt daher zu Materialfressen, Abrieb und hoher Reibung. Weiterhin ist ein leistungsfähiger Austausch des Arbeitsmediums nicht möglich, weil durch die rotierenden Öffnungen der Seitendeckel des Außenrotors keine optimalen Querschnitte für den Austausch des Arbeitsmediums anzu­ bringen sind. Die Seitendeckel des Außenrotors dieser Maschine sind sehr kompliziert und teuer, denn sie beinhalten sehr viele Bohrungen, Schrauben, nierenförmig geschlitzte Öffnungen usw. Die stirnseitige Lagerung des Außenrotors ist ungünstig, nicht nur weil der freie Raum an der Stirnseite für den Zu- und Abfluß des Arbeitsmediums begrenzt wird, weil die Konstruktion kompliziert und teuer ist, sondern auch, weil durch seine Anbringung im mittleren Bereich der Maschine viel Raum beansprucht wird mit der Folge, daß die Rotoren größer gebaut werden, womit ein höherer Aufwand bezüglich Material, Volumen und Fliehkraftwirkung entsteht. Der Außenrotor besteht an seiner Mantelseite nicht aus einem festen und geschlossenen Ring, sondern aus vielen, seitlich befestigten Segmenten. Die Ver­ biegung dieser Segmente durch die Fliehkraft, durch den Kammer­ druck und durch die thermischen Belastungen führt zum schnellen Ver­ schleiß an den Rändern der Teilzylinder. Durch die entstandene Leckage und durch die Verbrennungsgase werden diese Teile in kurzer Zeit aus­ brennen. Für hohe Drehzahlen, hohe Arbeitsdrücke und höhere Temperaturen ist diese Anordnung nicht anwendbar. Die Öffnungen an den rotierenden Rotorendeckeln verursachen große Schadräume und sind auch Quellen der Leckage. Die rotierenden Rotorendeckel bilden einen Spalt gegenüber dem Innenrotor und an der Seite gegenüber den stationären Maschinendeckeln einen weiteren Spalt. Wegen der thermischen Ausdehnung in Axialrichtung und wegen der Herstellungstoleranzen müssen diese Spalte groß sein. Die Leckage ist daher hier extrem groß. Schon aus diesem Grund ist es nicht vorstellbar, daß eine solche Maschine wirtschaftlich funktionieren kann. Auch viele weitere Stellen der Maschine haben nicht geschmierte Sitzdichtungen, die durch heiße Gase schnell undicht gemacht werden. Die ganze Maschine wird konstruktions­ bedingt von einer dünnen Welle getragen, die noch als Konsole wirkt. Diese Aufhängung kann bei einer Kraftmaschine nicht auf die Dauer funktionieren.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Maschine aufzuzeigen, die die Mängel des Standes der Technik nicht aufweist und insbesondere eine auch bei hoher mechanischer und thermischer Belastung, trotz leichtem und einfachem Aufbau, lange Lebensdauer bei hoher Drehzahl und Leistung gewährleistet.

Die Lösung dieser Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 dargelegt.

Durch die erfindungsgemäßen Bohrungen und Kanäle nach Merkmal 1a ergibt sich ein kontinuierliches und effektives Schmieren und Kühlen aller gleitenden Flächen, insbesondere der Teilzylinder und Schaufeln, damit kein Materialfressen, Abrieb und hohe Reibung ent­ stehen können. Das beanspruchte Schmier-, Kühl- und Dichtsystem ist so angeordnet, daß durch die Fliehkraft eine Sogwirkung entsteht, die eine zusätzliche Pumpe erübrigt.

Durch die Lagerung des Außenrotors an seiner Mantelfläche nach Merkmal 1b läßt sich seine Maßstabilität und Lebensdauer wesentlich erhöhen, weil den am Außenrotor auftretenden Belastungsfaktoren besser entgegengewirkt wird. Diese sind:

• a) Zentrifugalkräfte, die durch Drehzahl, Durchmesser und Gewicht bestimmt sind. Folglich ist es möglich, mit hoher Drehzahl zu arbeiten, große Maschinendurchmesser zu verwenden, die für den Bau leistungsstarker Aggregate notwendig sind. Es ist möglich, ausreichende Querschnitte des Außenrotors zu gestalten, um die Schaufelplattengelenke mit großen Durchmessern einbauen zu können, die dann lange Dichtspalte, kleineren Verschleiß und vor allem die notwendigen größeren Rotoren­ exzentrizitäten ergeben. Es ist möglich, billiges Material zu verwenden.
• b) hohe Arbeitsdrücke in den Kammern. Die daraus entstandenen Belastungen können leichter aufgenommen werden.
• c) Verbiegung durch die Länge der Maschine. Hier wirkt die Lagerung des Außenrotors entgegen. Eine ausreichende Länge für eine größere Fördermenge der Maschine ist damit gegeben.

Gleichzeitig sind die Stirnflächen frei und lassen die Unterbringung von großen Zu- und Abflußöffnungen für das Arbeitsmedium zu. Die stillstehenden Seitendeckel sind sehr einfach. Durch die Lagerung des Außenrotors an seiner Mantelfläche wird im Inneren der Maschine Raum frei, der die Zuleitung des Schmier-, Dicht- und Kühlmittels zuläßt. Durch die Lagerung des Außenrotors an seiner Mantelfläche wird weiterhin im Inneren der Maschine Raum frei für den Einbau einer leistungsfähigen Lagerung des Innenrotors, die für eine ausreichende Lebensdauer der Maschine notwendig ist. Gleichzeitig ist es möglich, den Innenrotor so zu dimensionieren, daß große Belastungen keinen Schaden verursachen können. Die Lagerung des Außenrotors an seiner Mantelfläche ermöglicht eine leichte Montage und Demontage der Maschine. Dies wirkt sich günstig auf die Herstellungskosten aus und der Benutzer kann die Maschine leicht reparieren.

Durch die Maßnahme nach Merkmal 1c wird erreicht, daß die Schaufeln sich in einem großen Bereich hin und her bewegen können. Dadurch ist eine größere Exzentrizität und damit ein größeres Arbeitsvolumen möglich. Dies führt zu größeren Arbeitsdrücken, die wiederum durch die Lagerung nach Merkmal 1 b besonders günstig aufgenommen werden. Es ergibt sich z. B. eine gewünschte Verdoppelung der Leistungs­ fähigkeit bei annähernd gleichem Gewicht, Volumen und Herstellungs­ kosten. Weiterhin entstehen durch die sich hin und her bewegenden Schaufelplatten zwischen den Teilzylindern Hohlräume. Diese werden vom Schmier- und Kühlmittel periodisch gefüllt und geleert. Damit ist eine intensive Kühlung und Schmierung der Teilzylinder wie auch der Schaufelplatten gewährleistet.

Durch die an den Schaufelplatten nicht befestigten Teilzylinder wird ein zusätzlicher Dichtungseffekt für beide Rotoren erzielt. Der Kammerdruck verschiebt nämlich die Teilzylinder ins Gelenk hinein und schließt alle Spalte zwischen Gelenkbohrung, Teilzylinder und Schaufelplatten.

Die Herstellungskosten der getrennten Teilzylinder und Schaufelplatten sind niedriger. Es lassen sich für die Gelenkbohrungen leichter Toleranzkombinationen zusammenstellen und auch beschädigte Teile einfacher ersetzen.

Durch den speziellen Kreislauf des Schmier- und Kühlmittels, durch die Außenlagerung des Außenrotors und die Verwendung der freibeweglichen Schaufelplatten ergibt sich eine für sehr hohe Drehzahlen und hohe Leistungen sehr gut brauchbare und kompakte Maschine, die nur aus relativ wenigen Teilen besteht.

Damit die Schaufelplatten im breiten sichelförmigen Bereich nicht herausfallen, sind die Maßnahmen nach Merkmal 1d vorgesehen. Da die Schaufeln wegen der Fliehkraft nach außen geschoben werden, sind Anschläge an den inneren Teilzylindern angebracht. Im Stillstand können die Schaufelplatten auch aus den äußeren Teilzylindern heraus­ fallen. Deswegen sind auch hier Anschläge vorgesehen.

Weil die Teilzylinder getrennt sind und wegen der kurzen Schaufel­ platten befinden sich diese in bestimmten Stellungen nicht zwischen den Teilzylindern. Die Teilzylinder können dadurch ihre Parallelität verlieren oder den Abstand vermindern und dadurch eine Verklemmung der Schaufelplatten verursachen. Aus diesem Grund sind die Ab­ standhalter nach Anspruch 2 vorgesehen.

Normalerweise wird ein Rotor angetrieben und der andere über auf­ wendige Mittel wie z. B. ein Getriebe mitgenommen, damit sich eine schwingungsfreie Rotation der Rotoren zueinander ergibt. Dieses Ziel läßt sich gemäß Anspruch 3 sehr einfach erreichen. Die Maßnahme nach Anspruch 4 zeigt eine noch einfachere Ausführung.

Die Segmente nach Anspruch 5 erfüllen mehrere Aufgaben. Zunächst ermöglicht die Anwendung der Segmente die Benutzung optimaler Materialien. Weiterhin wird die Fertigung und die Anbringung der Schmiermittelkanäle vereinfacht. Wegen des Spalts werden diese Dichtsegmente durch den Druck des Arbeitsmediums auf die Gleit­ fläche zweier Teilzylinder einer Kammer gedrückt und damit wird automatisch eine vom Verschleiß unabhängige ausgezeichnete Dichtung erreicht.

Ähnliche Vorteile werden auch durch die Segmente nach Anspruch 6 erzielt. Der Gliedereffekt zwischen den Segmenten bewirkt den Abbau von Wärmespannungen.

Bei großen, leistungsstarken Rotationsmaschinen ist es nach Anspruch 7 zweckmäßig, als Lager für den Außenrotor Gleitlagersegmente oder Stützrollen zu verwenden. Es genügt, wenn in der Richtung der Hauptkräfte mindestens zwei Stützlager dieser Art vorgesehen sind. Damit ist eine thermische Ausdehnung des Außenrotors möglich und es kann nicht zu Verklemmungen kommen.

Die Grundkonstruktion der erfindungsgemäßen Maschine ist auch besonders als Druckluft- oder Heißdampfmotor wie auch als Kompressor oder Pumpe geeignet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Die äußere Form der Maschine ohne Lagerung und Einbauteile stellt ein Zylinderstück dar.

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

• a) Zylindersegmenten sowohl im Innen- als auch im Außenrotor, die im Schnitt ein Kreissegment bilden (Fig. 1). Sie bilden eine Art Gelenk­ lager mit kleinen Pendeldrehbewegungen,
• b) Schaufelplatten, die im Gelenklager lineare Pendelbewegungen ausführen,
• c) Synchronkurven (annähernd Kreis) im Innenrotor (Synchronkurven auch im Außenrotor möglich),
• d) Synchrondruckflächen sowohl an der Innenseite des Außenrotors, als auch im Mantel des Innenrotors, die eine 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.

Bei herkömmlichem Motoranlassen bewegen sich Außen- und Innenrotor synchron im Uhrzeigersinn. Die Arbeitskammer P.1 (Fig. 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 sog. Magermotors einge­ spritzt werden. Dabei wird der Kraftstoff optimal zerstäubt, mit der Luft vermischt und für die vollständige Verbrennung während der Expansions­ phase 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 Schaufel­ platten in den Positionen 6, 7 und 8 weiter in Umfangsrichtung schiebt, wodurch die Motorarbeit geleistet wird. In der Position 8 wird die Aus­ laßöffnung erreicht. Das unter hohem Druck stehende Gas strömt explosions­ artig aus dem Motor. 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 die 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 Arbeits­ gänge ausgeführt. Es ist klar, daß dadurch bei gleichen Abmessungen gegenüber einen Viertakter, die doppelte Leistung erreicht wird. Da der Rotations­ kolbenmotor 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 Hub­ kolbenmotor). 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 Arbeits­ druck möglich. Da die Verbrennungskammer durch die keramischen Teile besser wärmeisoliert ist, sind höhere Arbeitstemperaturen möglich. Beide Faktoren führen zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad.

Beim dargestellten Rotationskolbenmotor (Fig. 2) 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 Innenmotors. Von hier aus strömt das Öl durch die Schaufelplatten in die Leerräume des Außen­ rotors. 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 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 Öles in die Arbeitskammern verhindert.

Bezugszeichenliste:

1 = IR = Innenrotor
1.1 IR-Körper mit Antriebsachse
1.2 Einlaßbohrung für Kühl- und Schmiermittel
1.3 Radialbohrung
1.4 IR-Kammerwand
1.41 Teilzylinderabstandsstift
1.5 Synchronbohrung
1.51 Synchrondruckflächen im IR
1.52 Synchrondruckflächen im AR
1.6 IR-Wirbelnute oder Kraft­ stoffeinspritzkanal
1.7 Halteschraube für IR-Kammer­ wand
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 mittels der Tellerfedern elastisch die IR- Kammerwand
2.5 Tellerfeder
2.6 AR-Wirbelnute oder Kraft­ stoffeinspritzkanal
2.7 Spalt

3 Teilzylinder
3.1 Teilzylinder des IR-Gelenk­ lagers
3.2 Teilzylinder des AR-Gelenk­ lagers
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. Fig. 3)
4.3 Teilzylinderabstandsstift
(s. Fig. 3)
4.4 Aussparung für Teilzylinder­ abstandsstift (s. Fig. 3)
4.5 Öldichtleiste oder Weich­ packung

5 = Rotorendeckel (Einlaß­ seite) (rotiert nicht)
5.1 Lufteinlaßbohrung
5.2 Einspritzdüse
5.3 Kühl- und Schmiermittelkanal

6 = Rotorendeckel (Auslaß­ seite) (rotiert nicht)
6.1 Auspufföffnung

7 Hydraulikkolben, der den Rotorendeckel regulierbar durch den Arbeitskammerdruck an den Auslaßdeckel andrückt
7.1 Hydrauliköl

P.1 bis P.8 = Position 1 bis Position 8

Claims (7)

1.Rotationskolbenmaschine, im wesentlichen bestehend aus mehreren Pendelschaufelplatten (4), die über Gelenklager linear beweglich und schwenkbar in zwei ineinander exzentrisch und achsparallel angeordneten Rotoren (1, 2) gelagert sind, wobei die zwischen jeweils zwei Pendelschaufelplatten (4) sich befindenden Arbeitskammern seitlich von Seitendeckeln (5, 6) abgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) im Innenrotor (1) eine Bohrung (1.2) vorgesehen ist, von der zu allen Gleitflächen von inneren Teilzylindern (3.1) der Gelenklager über Synchronbohrungen (1.5) Radialbohrungen (1.3) führen, wobei die Synchronbohrungen (1.5) über in den Pendel­ schaufelplatten (4) angeordnete Bohrungen (4.1) mit allen Gleitflächen von äußeren Teilzylindern (3.2) der Gelenklager verbunden sind und von hier weitere Kanäle (2.31) nach außen führen,
• b) der Außenrotor (2) an seiner Mantelfläche in ein oder mehrere Lager (8) abgestützt ist und die Seitendeckel (5, 6) der Arbeitskammern nicht rotieren,
• c) alle Gelenklager aus jeweils zwei Teilzylindern (3.1, 3.2) be­ stehen, in welchen die Schaufelplatten (4) gleitend gelagert sind, und
• d) die Schaufelplatten (4) an beiden Enden Haltestifte (4.2) besitzen, die in von der jeweils äußeren Seite offenen Aussparungen (3.4) der Teilzylinder (3.1, 3.2) bis zu einem Anschlag verschiebbar sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im jeweils äußeren Bereich der Teilzylinder (3.1, 3.2) im Freiraum zwischen diesen mindestens ein Abstandshalter (4.3) vorgesehen ist, wobei an den Schaufelplatten (4) im Bereich der Ab­ standshalter (4.3) Aussparungen (4.4) vorgesehen sind.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelplatten (4) im jeweils kleinsten Abstandsbereich zwischen Innenrotor (1) und Außenrotor (2) mit der Bohrungs­ fläche der Synchronbohrung (1.5) zur gleitenden Anlage kommen.

4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrungs- oder im Mantelbereich des Außenrotors (2) oder des Innenrotors (1) Synchrondruckflächen (1.51 bzw. 1.52) vor­ gesehen sind, an die die Schaufelplatten (4) in einem bestimmten von der Exzentrizität der Innen- und Außenrotoren (1, 2), den Radien der Teilzylinder (3.1, 3.2) sowie der Breite der Schaufelplatten (4) abhängigen Winkelabschnitt zur Anlage kommen.

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Bohrungsbereich zumindes des Außen­ rotors (2) Segmente (2.2) vorgesehen sind, die jeweils zwei be­ nachbarte Teilzylinder (3.2) von innen mit Gleitflächen umfassen und über Schrauben (2.4) mit dem Außenrotor (2) über Druckfedern (2.5) verbunden sind, wobei zwischen den Segmenten (2.2) und dem Außenrotor (2) ein Spalt (2.7) vorgesehen ist.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Außen­ bereich der äußeren Teilzylinder (3.2) Segmente (2.3) vorgesehen sind, die von einem geschlossenen Ring (2.1) umfaßt werden.

7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lager (8) aus mindestens zwei an der Mantelfläche des Außenrotors (2) anliegenden Gleitlagersegmenten oder Stützrollen besteht.