DE4411636A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung behandelt eine Drehkolbenmaschine, wie sie im Patentanspruch 1 beschrieben ist.

Derartige Drehkolbenmaschinen sind vom Prinzip her schon länger bekannt, z. B. aus dem Patent von Meißner für einen "Explosionsmotor mit umlaufenden Kolben" (Patentschrift Deutsches Reich 1924, PS 430714). In einem ringförmigen Arbeitsraum laufen zwei Kolbenpaare, die periodisch gegeneinanderdrehen und somit periodisch veränderliche Volumia erzeugen. Durch eine geeignete Steuerung muß diese oszillierende Bewegung in eine konstante Drehbewegung der Arbeitswelle umgewandelt werden.

Eine Vielzahl von Lösungsvorschlägen für Drehkolbenmotoren mit ringförmigem Arbeitsraum sind erarbeitet worden, die jedoch meistens an der Steuerungsfrage sowie den nicht realisierbaren Kolbenkonzepten scheiterten. Einen guten Überblick gibt Piening in seiner Patentschrift DE 41 15 289 C2. Die wesentlichen Punkte sollen hier noch einmal wiederholt werden.

Steuerungen, die die Kolben abwechselnd auf der Arbeitswelle und dem Maschinengehäuse blockieren, sind mechanisch anfällig, teilweise ungenau in der Positionierung und bei höheren Drehzahlen ungeeignet. Dabei ist es gleichgültig, ob dies durch Bremsen, Nocken, Klinken o. ä. erfolgt (DE-AS 12 97 621, DE 31 23 121 A1).

Häufig findet man Lösungen mit einem gehäusefesten Sonnenrad und mit Exzentern versehenen Planetenrädern, die auf der Arbeitswelle gelagert sind. Über die Exzenter wird mittels Pleuelstangen (DE 35 21 593) bzw. Nutenführungen (US 38 01 368) die oszillierende Drehbewegung erzeugt. Die bisherigen Lösungen benötigen jedoch einen hohen Platzbedarf, so daß mit der aufwendigen Mechanik kein entscheidender Vorteil gegenüber Hubkolbenmotoren erzielt wird.

Die Steuerung über ein nockengesteuertes Zahnradgetriebe mit oszillierend schwenkenden Steuerelementen zur Volumenänderung ist ebenfalls mechanisch sehr aufwendig und läßt keine Vorteile erwarten (DE 41 15 289 C2). Andere Steuerungen mittels Getriebekasten u. ä. scheiden wegen des Aufwandes ebenfalls aus (SU 13 18 704).

Neben der Steuerung bereitet die Gestaltung der Drehkolben Probleme. Die meisten Kolben bestehen aus Kreisringen, an denen, gleichmäßig am äußeren Umfang verteilt, die Flügel so angebracht sind, daß beim Ineinandergreifen zweier Kolben die Flügel die Arbeitskammern abteilen. Die innere Arbeitsraumwand wird dann von den Kolben gebildet. Auf diese Weise sind die Arbeitskammern jedoch nur mit hohem Aufwand abzudichten, bzw. es muß mit einer geringen Betriebsdauer gerechnet werden (DE 41 15 289 C2, DE 31 23 121 A1).

Die vorgestellte Erfindung hat die Aufgabe, einen Arbeitsraum und eine Steuerung zu entwickeln, die fertigungstechnisch realisierbar sind, eine kompakte Bauweise gestatten und einen verschleißarmen Betrieb der Maschine ermöglichen.

Kernstück der Maschine ist der kreisringzylindrische Arbeitsraum, der von Gehäuse, Arbeitswelle und Drehkolben begrenzt wird, s. Bild 1 und Bild 2. Die äußere Zylinderwand des Arbeitsraumes ist das Arbeitsraumgehäuse (1), das innen die Form eines einfachen Rohrzylinders hat. An den Enden des Arbeitsraumgehäuses sitzen die angeflanschten Gehäusedeckel (2), die in ihrer Mitte die Lagerung der Arbeitswelle aufnehmen. Die innere Zylinderwand des Arbeitsraumes ist die Arbeitswelle (3), die im Arbeitsraumbereich ebenfalls eine einfache zylindrische Oberfläche hat. Links und rechts ist die Arbeitswelle in den Gehäusedeckeln drehbar gelagert. Die linke und rechte axiale Arbeitsraumbegrenzung erfolgt mittels eines linken (4) und eines rechten (5) Drehkolbens, die als Kreisringscheibe mit aufgesetzten Flügeln (6, 7) ausgeführt sind, s. Bild 3. In axialer Richtung sind die Drehkolben unverschieblich gelagert - dies ist notwendig wegen des Überdrucks im Arbeitsraum -, während sie gegenüber der Gehäusewand und gegenüber der Arbeitswelle frei drehbar sind. Die Lagerung der Drehkolben kann am Gehäuse und/oder auf der Arbeitswelle erfolgen.

Die Unterteilung dieses Arbeitsraumes in Arbeitskammern (8) geschieht durch die Drehkolbenflügel (6, 7). Diese sitzen auf den Kreisringscheiben der Drehkolben (4, 5) und füllen mit ihrer Fläche genau den Ringquerschnitt des Arbeitsraumes aus. Über den Umfang gesehen wechseln sich die Flügel des linken (6) und des rechten (7) Drehkolbens ab. Damit wird der Arbeitsraum in doppelt so viele Arbeitskammern wie ein Drehkolben Flügel hat unterteilt. Wesentlicher Vorteil dieser Drehkolbenkonstruktion ist es, daß die Flügel sehr einfach mit dem Kreisring des Drehkolbens zu verbinden sind, der Drehkolben ist also sehr einfach herzustellen, s. Bild 3. Weiterhin sind alle Dichtflächen eben oder kreiszylindrisch, es gibt keine zylindrisch unterteilten Dichtflächen, und die Dichtflächen sind, anders als beim Hubkolbenmotor oder beim Wankelmotor, keine Lagerflächen. Wegen dieser Vorteile eignet sich diese Bauweise hervorragend für keramische Werkstoffe und/oder für Verbundwerkstoffe, die Arbeitskammerwände müssen dann für die Dichtungen nicht geschmiert werden. Ebenso erlaubt die Konstruktion, nur die Dichtflächen und/oder die Kolbenflügel aus hochfestem Material auszuführen, während die anderen Teile aus Leichtmetall o. ä. Werkstoffen gefertigt werden können.

Die Abdichtung des Arbeitsraumes nach außen erfolgt mit umlaufenden Dichtungen (17) zwischen Arbeitswelle und Drehkolben sowie zwischen Drehkolben und Gehäuse. Die Arbeitskammern untereinander werden abgedichtet mit Längsdichtungen (18), die an den drei Seitenflächen der Kolbenflügel eingelassen sind, s. Bild 3. Im Schnittpunkt solcher Dichtungen treten immer Leckverluste auf. Arbeitet die Maschine als Motor, so kann an den Leckstellen ein Zündfunke in die benachbarte Arbeitskammer mit verdichtetem Gemisch überspringen. Für Motoren werden deshalb die Längsdichtungen an den Kolbenflügeln doppelt ausgeführt. Zwischen den Dichtungen wird ein Entlüftungskanal (19) vorgesehen, so daß die Leckagegase ohne Folgen für die Nachbarkammern in das Maschinengehäuse abgeleitet werden können.

Aufgrund der hohen Umlaufgeschwindigkeit der Drehkolben wird eine Wälzlagerung der Drehkolben nur schwer zu realisieren sein. Besser ist eine hydrodynamische Lagerung, indem z. B. das Schmieröl in einen umlaufenden Kanal im Gehäusedeckel gepumpt wird und so die Drehkolben auf einem Ölfilm schwimmen. Noch günstiger für eine hohe Verschleißfestigkeit wäre eine Druckluftlagerung: Aus den Arbeitskammern mit Überdruck wird Druckluft gezapft und in die Lagerflächen geleitet. Durch geschickte Auswahl der Zapfluftentnahmestelle und der Lagerflächengröße kann genau ein Gleichgewicht zwischen der axialen Drehkolbenkraft infolge des Arbeitsraum-Überdruckes und der Lagerkraft infolge der Druckluft hergestellt werden.

Die zweite wichtige Verbesserung betrifft die Steuerung der Drehkolben. Hier wird vorgeschlagen, die Steuerung mittels eines Zahnrad-Kurbeltriebes durchzuführen. Ausgangspunkt ist die Überlegung, daß die Drehkolben bei Arbeitsvorgängen beide ein entgegengesetztes Drehmoment entwickeln. Damit die Arbeitswelle (3) sich dreht, muß der vorlaufende Kolben (5, 7) über ein Getriebe ein höheres Drehmoment auf die Arbeitswelle übertragen als der rücklaufende Kolben (4, 6). Dann muß aber gleichzeitig die Reaktion des rücklaufenden Kolbens am Gehäuse abgestützt werden. Dies wird erreicht über ein feststehendes "Leitzahnrad" (10), das mit dem Gehäuse fest verbunden ist und dessen Längsachse mit der Arbeitswelle identisch ist.

In dieses Leitzahnrad als Sonnenrad greifen die Kurbelzahnräder (11) als Planetenräder ein. Deren Wellen, im folgenden Kurbelwellen (12) genannt, sind in der Arbeitswelle (3) gelagert. Dreht sich die Arbeitswelle, so müssen sich auch die Kurbelzahnräder drehen, da das Leitzahnrad feststeht. Auf den Kurbelwellen sitzen jeweils am Ende Kurbeln (13), die sich bei Drehung der Arbeitswelle ebenfalls drehen. Die Kurbeln von linkem und rechtem Drehkolben sind um 180° versetzt angeordnet. Kurbeln und Drehkolben werden entweder mit Pleuelstangen (15) verbunden oder der Kurbelzapfen (14) greift in eine radial verlaufende Nut im Drehkolben ein. In beiden Fällen erfahren beide Drehkolben bei konstanter Drehung der Arbeitswelle überlagert eine konstante und eine gegeneinander oszillierende Drehbewegung. Um die oszillierende Volumenänderung zu erzielen, sind beide Drehkolben in ihrer Grundstellung um einen Winkel verdreht anzuordnen, der den Betrag hat Vollkreis geteilt durch Anzahl der Arbeitskammern (bei vier Flügeln je Kolben, also acht Arbeitskammern, bedeutet das eine Versetzungswinkel von 360°/8 = 45°).

Weitere Wirkung der um 180° versetzten Kurbeln ist die Erzeugung eines unterschiedlichen Hebelarmes von vor- und rücklaufendem Kolben gegenüber dem Leitzahnrad. Der vorlaufende Kolben hat aufgrund der Kurbelstellung einen größeren Hebelarm und wird deshalb das Kurbelzahnrad drehen, wodurch die Arbeitswelle selber gedreht wird. Der rücklaufende Kolben erfährt entgegengesetzt zu dem vorlaufenden Kolben zwar die betragsmäßig gleiche Kraft, hat aber nur einen kleinen Hebelarm gegenüber dem Leitzahnrad. Er stützt sich somit hauptsächlich auf dem Leitzahnrad ab, kann also in die rückwärtige Richtung keine Drehung erzeugen bzw. unterstützt in bestimmten Kurbelstellungen sogar den vorlaufenden Kolben. Damit wird insgesamt das Drehmoment und die Vorwärtsdrehung vom vorlaufenden Kolben bestimmt.

Durch die richtige Abstimmung der Zähnezahl von Leitzahnrad und Kurbelzahnrädern sowie des Hebelarmes der Kurbeln können jedem Punkt des Umfanges (des Arbeitsraumes) bestimmte Arbeitstakte (Ansaugen, Verdichten, Ausdehnen, Ausstoßen) der jeweiligen Arbeitskammern zugeordnet werden. Dort können dann die entsprechenden Ein- und Auslaßöffnungen für die Arbeitsmedien und, bei Verbrennungsmotoren, auch die Zündungen und/oder Einspritzvorrichtungen angebracht werden. Die Verdichtung läßt sich über den Kurbelradius, die Kurbelstangenlänge sowie die Kolbenflügeldicke einstellen.

Wird die Leitzahnradwelle drehelastisch ausgeführt, können die Stöße aus der Zündung und andere Ungleichmäßigkeiten abgefedert und damit der Rundlauf der Maschine weiter verbessert werden. Wird die ganze Leitzahnradwelle gegenüber dem Gehäuse durch einen entsprechend geregelten Verdrehmechanismus um kleine Winkel verdrehbar gelagert, können die Steuerzeiten für Einlaß, Auslaß, Zündung usw. an den aktuellen Betriebszustand angepaßt werden.

Die Anordnung der Steuerung mit dem zentralen Leitzahnrad in der Antriebswelle erlaubt eine kompakte Konstruktion der gesamten Maschine. Ebenso ist ein völliger Massenausgleich aller oszillierenden Massen gegeben. Durch mehrere Kurbeln im Umfang gleichen sich die Massen von Kurbeln und Pleuelstangen aus. Ebenso werden die Drehschwingungen von linkem und rechtem Drehkolben durch die gegenläufigen Drehbeschleunigungen vollständig ausgeglichen. Die leichte Verschiebung der Beschleunigungskurven aufgrund der geometrischen Nichtlinearitäten des Kurbeltriebes können vernachlässigt werden.

Als Beispiel ist in Bild 1 und Bild 2 der Aufbau eines typischen Viertaktmotores skizziert. Aus Gründen des gleichmäßigen Laufes werden genau vier Flügel pro Drehkolben gewählt. Es können dann immer gegenüberliegend die gleichen Arbeitstakte ablaufen. Jede Arbeitskammer muß pro Arbeitswellenumdrehung alle Arbeitstakte (Ausdehnen, Ausstoßen, Einlassen, Verdichten) zweimal ausführen, d. h. sie muß viermal oszillieren. Dies erreicht man, wenn der Durchmesser der Kurbelzahnräder genau ein Viertel des Leitzahnraddurchmessers beträgt. In Bild 4 ist für eine Arbeitskammer der Ablauf einer Halbdrehung mit den vier Arbeitstakten skizziert. Der Arbeitszyklus beginnt mit der Zündung (1. Arbeitsschritt) des verdichteten Luft-Treibstoff-Gemisches. Im 2. und 3. Arbeitsschritt treibt das expandierende Gas den vorlaufenden Kolben an, während sich der rücklaufende Kolben auf dem Leitzahnrad abstützt. Der Ausstoß des verbrannten Gases erfolgt vom 4. bis zum 6. Arbeitsschritt. Danach wird vom 7. bis zum 9. Arbeitsschritt das frische Luft-Treibstoff-Gemisch angesaugt und vom 9. bis zum 12. Arbeitsschritt verdichtet. Der 13. Arbeitsschritt ist wieder der 1.; das Gemisch wird gezündet. Zu beachten ist hierbei, daß die gezeigten Arbeitstakte in allen Kammern ablaufen, wobei jedem Abschnitt des Gehäuses bestimmte Arbeitstakte zuzuordnen sind.

Claims (13)

1. Drehkolbenmaschine mit kreisringzylindrischem Arbeitsraum und Teilung des Arbeitsraumes im Umfang in mehrere Arbeitskammern durch drehbare Kolben mit Flügeln und Steuerung der periodischen Kolbendrehschwingung mit einem feststehenden Sonnenzahnrad, in das auf der Arbeitswelle gelagerte Planetenräder mit Kurbeltrieb greifen, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsraum begrenzt wird durch das Maschinengehäuse als äußere Zylinderwand, die Arbeitswelle als innere Zylinderwand und durch einen linken und einen rechten Drehkolben als linken und als rechten Zylinderboden.

2. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolbenflügel eines Drehkolbens jeweils senkrecht auf dem Ring des Drehkolbens stehen, woraus im Arbeitsraum nur ebene oder kreiszylindrische Dichtflächen resultieren.

3. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben im Gehäuse gelagert sind.

4. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben auf der Arbeitswelle gelagert sind.

5. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben hydrodynamisch gelagert sind.

6. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkolben druckluftgelagert sind, wobei die Druckluft aus dem Arbeitsraum gezapft wird.

7. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen an den Drehkolbenflügeln doppelt ausgeführt sind und zwischen den Dichtleisten ein Entlüftungskanal zum Maschinengehäuse läuft.

8. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Kolbensteuerung benötigte feststehende Leitzahnrad als Sonnenrad zentral in der Arbeitswelle sitzt und daran die in der Arbeitswelle gelagerten Kurbelzahnräder als Planetenräder eingreifen.

9. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelzahnräder auf Kurbelwellen sitzen, an deren linken und rechten Enden jeweils um 180° versetzte Kurbeln angebracht sind.

10. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Drehkolben mittels einer Pleuelstange erfolgt.

11. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung der Drehkolben mittels der Kurbelzapfen, die in radiale Nuten in den Drehkolben laufen, erfolgt.

12. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Leitzahnrades drehelastisch mit dem Maschinengehäuse verbunden ist.

13. Drehkolbenmaschine nach Patentanspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle des Leitzahnrades zur Motorsteuerung um kleine Winkel verdrehbar am Maschinengehäuse gelagert ist.