HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung bezieht sich auf Rotationsvorrichtungen des axialen
Plattenkolbentyps, insbesondere der Klasse der Vorrichtungen, bei denen
Volumenänderungen zwischen relativ eng beabstandeten Plattenkolben und
Kurvenoberflächen auf jeder Seite des Rotors stattfinden und bei denen die
Plattenkolben sich axial relativ zur Rotationsachse des Rotors bewegen.
Beschreibung des Standes der Technik
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Viele unterschiedliche Arten von Rotationsmotoren sind in der Vergangenheit
vorgeschlagen worden und sind durch eine Vielzahl von Patenten abgedeckt
worden. Lediglich eine vergleichsweise kleine Anzahl von diesen wurden
gründlich getestet. Viele Rotationsmotoren scheinen auf dem Papier gut zu sein,
aber praktische Schwierigkeiten treten auf, wenn Prototypen gebaut werden.
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Der best bekannte Rotationsmotor ist der Wankel-Motor, der in Massenfertigung
in Mazda-Kraftfahrzeuge eingebaut wird. Selbst dieser Motor hat erhebliche
Schwierigkeiten mit dem hinreichenden Abdichten des Rotors, obwohl solche
Probleme im großen und ganzen überwunden wurden.
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Ein anderer Typ des Rotationsmotors wird im folgenden als der "axiale
Plattenkolbentyp" bezeichnet. Dieser Motortyp hat einen zylindrischen Rotor, der
in einer zylindrischen Kammer in einem Stator angeordnet ist. Eine Vielzahl von
schaufelartigen Plattenkolben erstrecken sich verschiebbar, parallel zur
Rotationsachse durch den Rotor. Auf jeder Seite des Rotors befinden sich
wellenförmige, parallele Kurvenoberflächen. Hohe Abschnitte auf der
Kurvenoberfläche auf der einen Seite sind mit tiefen Abschnitten auf der
Kurvenoberfläche auf der anderen Seite ausgerichtet.
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Einen solche Motor findet man z. B. im US-Patent Nr. 4, 401, 070 an James
Lawrence McCann. Dieser Motortyp komprimiert Gase, die sich vor einem jeden
Plattenkolben befinden, in Richtung der Rotation, während der Rotor rotiert. Die
Verdichtung geschieht, wenn der Plattenkolben von einer tiefen
Kurvenoberfläche, die relativ weit entfernt von dem Rotor ist, zu einer hohen
Kurvenoberfläche, die relativ nah an dem Rotor ist, bewegt. Nachdem die Gase
verdichtet sind, müssen sie vor der Zündung zur Rückseite jedes Plattenkolbens
transferiert werden, so daß die gezündeten Gase den Rotor vorwärts bewegen.
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Die Notwendigkeit, die verdichteten Gase zu transferieren, wird in einer Vielzahl
von dieser Art von Rotationsmotoren vermieden, wie man sie z. B. im polnischen
Patent Nr. 38112 an Czyzewski findet. In diesem Fall werden die Gase zwischen
angrenzenden Plattenkolben verdichtet, die von den Winkeln her viel dichter
angeordnet sind als in dem McCann-Motor. Diese Gase werden verdichtet,
während sich jedes Paar von benachbarten Plattenkolben auf ein hohes
Kurvengebiet zubewegt. Die Expansion der gezündeten Gase ist erlaubt und die
Vortriebskraft wird generiert, während die Plattenkolben sich nach dem Zünden
weiter an dem hohen Kurvenoberflächengebiet vorbei zu einem relativ dazu tiefen
Kurvengebiet bewegen.
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Die US A-4004556 offenbart einen Rotationsmotor mit innerer Verbrennung des
axialen Gleittyps mit sinusoidal geformten Seitenwänden.
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Dieser Typ des Rotationsmotors bietet viele potentielle Vorteile, von denen einige
hohe Effizienz, einfache Bauweise und geringes Gewicht sind. Obwohl allerdings
die theoretische Möglichkeit eines solchen Motors in der Vergangenheit
vorgeschlagen wurde, haben viele praktische Schwierigkeiten die Entwicklung
dieses Motors über das Stadium eines arbeitenden Prototypen hinaus verhindert.
Z. B. offenbaren einige frühere Patente kein praktisches System von Dichtungen
zwischen dem Rotor, dem Plattenkolben und dem Stator. Zusätzlich können
relativ hohe Belastungen an den Spitzen und Dichtungen der Plattenkolben
auftreten, die einen frühzeitigen Verschleiß verursachen.
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Vor diesem Hintergrund ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung bereitzustellen, die nicht die Nachteile der
früheren Motoren dieses Typs aufweist.
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Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine verbesserte axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung mit verminderter Belastung an den Seitenkanten
der Plattenkolben bereitzustellen, wo sie auf den Kurvenoberflächen des Stators
geführt werden.
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Ferner ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung bereitzustellen, die eine geringere Belastung auf
den Dichtungen der Plattenkolben aufweist.
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Außerdem ist Ziel der Erfindung, eine verbesserte axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung mit einem formschlüssigen, effizienten und
dauerhaften Dichtungssystem bereitzustellen.
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Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung bereitzustellen, die praktisch zu produzieren ist,
geringe Kosten mit sich bringt und dauerhaft ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Bereitgestellt wird gemäß der vorliegenden Erfindung eine axiale
Plattenkolbenrotationsvorrichtung mit einem Stator mit einer zylindrischen
Innenkammer, die durch eine ringförmige Außenwand und zwei Seitenwände des
Stators begrenzt wird, wobei die Seitenwände eine ringförmige Kurvenoberfläche
aufweisen; mit einem Rotor, der drehbar in der Kammer gelagert ist, wobei der
Rotor eine ringförmige Außenwand und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung
beabstandeten, axialen Schlitzen aufweist, die sich durch diese Außenwand
erstrecken; mit einem in jeden Schlitz gleitend aufgenommenen Plattenkolben,
wobei jeder Plattenkolben eine Außenfläche, eine Innenfläche und eine
Seitenfläche aufweist und die Seitenflächen gleitend an der Kurvenoberfläche
anliegen; mit ersten Mitteln, die die Plattenkolben in axialer Richtung hin- und
herbewegen, und mit zweiten Mitteln, um während der Rotation des Rotors
abwechselnd den Raum zwischen benachbarten Plattenkolben und den
Kurvenoberflächen zu vergrößern und zu verkleinern, wobei die zweiten Mittel
abwechselnd erste Abschnitte und zweite Abschnitte auf der Kurvenoberfläche
aufweisen und dabei die zweiten Abschnitte weiter von dem Rotor entfernt sind
als die ersten Abschnitte, die ersten Abschnitte der einen Kurvenoberfläche zu
den zweiten Abschnitten der anderen Kurvenoberfläche ausgerichtet sind, jeder
Schlitz einen verbreiterten äußeren Abschnitt aufweist und jeder Plattenkolben
einen verbreiterten Außenabschnitt aufweist, der gleitend von dem verbreiterten
Außenabschnitt eines der entsprechenden Schlitze aufgenommen ist.
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Eine andere Ausführung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Schlitze schmalere innere Abschnitte aufweisen, die von den verbreiterten äußeren
Abschnitten durch Schultern auf jeder Seite eines jeden Schlitzes getrennt sind.
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Die verbreiterten Abschnitte eines jeden Plattenkolbens können zwei seitliche
Fortsätze aufweisen, die gleitend von der entsprechenden Schulter aufgenommen
sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder Plattenkolben auf seiner
Innenfläche einen Vorsprung auf, der gleitend von einem transversalen Schlitz im
Rotor aufgenommen ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine vereinfachte isometrische Ansicht einer axialen
Plattenkolbenrotationsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung mit einem teilweise weggebrochenen Stator;
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Fig. 2 einen vereinfachten diametrischen Schnitt durch den Motor aus
Fig. 1;
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Fig. 3a eine Seitenansicht des Rotors des Motors aus Fig. 1;
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Fig. 3b einen Schnitt längs der Linie 3b-3b in Fig. 3a;
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Fig. 4 eine vereinfachte Draufsicht des Nockenstößels eines der
Plattenkolben einer weiteren Ausführungsform;
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Fig. 5 eine Draufsicht auf einen anderen Nockenstößel mit geschmierter
Führung;
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Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Plattenkolben mit dazugehörigen
Dichtungen;
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Fig. 7 eine Vorderansicht eines der Plattenkolben, die z. T. aufgebrochen
ist, den Rotor als Fragment zeigt und den Plattenkolben zeigt, wie
er sich rechts von dem Rotor nach außen erstreckt;
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Fig. 7a einen Ausschnitt aus einem Schnitt längs der Linie 7a-7a aus
Fig.
7;
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Fig. 8 einen Ausschnitt einer Seitenansicht eines Abschnittes des Rotors
und eines Plattenkolbens darauf;
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Fig. 8a einen vergrößerten Ausschnitt aus einem Schnitt durch den Rotor,
der eine der Dichtungen des Rotors und die Feder dafür zeigt;
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Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt einer Seitenansicht eines der
Plattenkolben mit dazugehörigen Dichtungen und Federn für die
Dichtungen, der den Plattenkolben zeigt, der sich rechts von dem
Rotor nach außen erstreckt; und
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Fig. 10 eine geometrische Abwicklung der Vorrichtung für eine
Konfiguration mit sechs Plattenkolben.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Fig. 1 zeigt eine axiale Plattenkolbenrotationsvorrichtung, die in diesem Beispiel
als Motor 14 ausgebildet ist. Die Vorrichtung kann alternativ als Kompressor,
Pumpe oder andere derartige Rotationsvorrichtungen ausgebildet sein. Der Motor
14 hat einen Stator 16, der ein faßförmiges Außengehäuse 18 umfaßt.
Unterschiedliche Werkstoffe könnten verwendet werden, u. a. Gußeisen, aber
Aluminium wird wegen des Gewichts und der verbesserten Kühlmöglichkeit
bevorzugt. Der Stator umfaßt auch ein Innengehäuse 20, das ein Paar
ringförmiger Teile 22 und 24, wie in Fig. 2 gezeigt, aufweist. Jedes Teil hat
eine ringförmige Außenwand 26, die an das Außengehäuse 18 angepaßt ist, und
eine Innenwand 28, in die mittels eines Lagers 32 auf jeder Seite eine Welle
drehbar gelagert ist, von denen nur eines in Fig. 1 dargestellt ist. Innerhalb des
Stators befindet sich eine zylindrische Innenkammer 34, die durch die
Seitenwände 36 und 38 und eine ringförmige Außenwand 40 begrenzt wird.
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Die Seitenwände 36 und 38 weisen an ihren radial außenliegenden Abschnitten
Kurvenoberflächen 42 bzw. 44 auf. Die Kurvenoberflächen in dieser
Ausführungsform bilden die Innenflächen von getrennten kreisförmigen
Kurventeilen. Zwei unterschiedliche Typen sind in Fig. 2 gezeigt. An der
oberen rechten Seite des Motors befindet sich ein von innen angebrachtes
Kurventeil 46, das zwischen das Außengehäuse 18 und die Schulter 48 auf dem
kreisförmigen Teil 24 eingepaßt ist. Ein gleichartiges Kurventeil befindet sich auf
der entgegengesetzten Seite des Motors (nicht dargestellt). Das Außengehäuse 18
und das Innengehäuse 20 sind in dieser Ausführungsform einstückig ausgeführt.
Eine andere Art eines Kurventeils 50 ist an der rechten unteren Seite des Motors
gezeigt, das von der Außenseite her angebracht wurde und in eine kreisförmige
Hülse 52 in dem Teil 24 eingepaßt wurde. Das Teil 24, das Kurventeil 50 und
das Gehäuse 18 sind in dieser Form der Erfindung seperate Teile. Es versteht
sich, daß nur eine Art eines Kurventeils 46 oder 50 im tatsächlichen Motor
verwendet würde.
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Die Kurvenoberflächen 42 und 44 sind vorzugsweise mit schlammartiger Keramik
oder einem Keramikmetall-Verbundwerkstoff beschichtet, um Verschleiß
vorzubeugen und die Reibung zu reduzieren. Die Kurventeile 46 und 50, die in
Fig. 2 gezeigt sind, bedürfen einer bezüglich des Winkels präzisen Anordnung
zwischen den beiden Seiten des Motors und dem Außengehäuse 18. Für das
Ausrichten werden vorzugsweise Spannstifte oder andere Mittel verwendet. Dies
erlaubt den Kurvenoberflächen, relativ zu den Seiten des Rotors getrennt
positioniert zu werden, so daß sich die Lücke zwischen den Seitenkanten der
Plattenkolben und den Kurvenoberflächen 42 und 44 genau kontrollieren läßt.
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Zwischen den Kurvenoberflächen und dem inneren Gehäuse 20 und dem
Außengehäuse 18 kann ein Zwischenraum vorgesehen sein. Dieser Zwischenraum
kann durch ein Paar metallischer, kreisförmiger Dichtungen abgedichtet sein und
benutzt werden, um eine lokale thermische Expansion der Kurvenoberflächen zu
erlauben.
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Ein Rotor 54, der in der Regel zylindrisch ausgebildet ist, ist innerhalb der
Kammer 34 eingebaut und drehbar auf der Welle 30 gelagert. Der Rotor in
diesem Beispiel ist in den Fig. 3a und 3b detaillierter dargestellt und ist ein
hohles Gußteil, das unter Verwendung von sechs kuchenstückgeformten
Kernstücken 56 gegossen wurde, die im Gießprozeß dazu benutzt werden, den
Rotor in den Gebieten zwischen den Plattenkolben hohl zu gestalten, und durch
Löcher 58 in der Rotorseite gehalten werden. Der Außenabschnitt 60 des Rotors
kann, wie dargestellt, hohl sein oder auch fest. Zwischen den beiden Seiten des
Rotors sind Stützrippen 62 angeordnet, um die Verzerrung zu vermindern, die
durch hohen Gasdruck in der Verbrennungskammer gegenüber dem Rotor
und/oder thermische Differenzen verursacht werden. Diese Rippen können derart
geformt sein, daß sie Öl entweder zum Zentrum des Rotors führen oder zur
Außenwand 66, um den Rotor zu ermöglichen, im wesentlichen ohne Öl zu
funktionieren, um das Gewicht auf einem Minimum zu halten. Der Rotor hat eine
Vielzahl von Schlitzen 64, die sich über den gesamten Rotor und radial nach
außen zur ringförmigen Außenwand 66 des Rotors erstrecken. Jeder Schlitz 64
weist einen verbreiterten Außenabschnitt 65 und einen engeren inneren Abschnitt
67 auf, die durch Schultern 69 und 71 auf jeder Seite des Schlitzes getrennt sind,
wie in Fig. 1 zu sehen ist.
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In Fig. 1 wiederum wird ein Plattenkolben 68 gleitend in jeden der Schlitze 64
aufgenommen. Die Plattenkolben werden dazu gebracht, sich in axialer Richtung
hin- und herzubewegen, d. h. in der Richtung parallel zur Welle 30, während der
Rotor rotiert. Die Plattenkolben bewegen sich vor und zurück und ihre
Dichtungen, die weiter unten beschrieben werden, greifen gleitend in die
wellenförmigen Kurvenoberflächen 42 und 44 ein, währen der Rotor rotiert.
Diesbezüglich gleicht der Motor den bereits bekannten Motoren dieses Typs.
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Der Motor 14 weist Plattenkolben mit radial äußeren Kanten 74 auf, die gleitend
mit der Außenwand 40 des Stators in Eingriff stehen. Dies geschieht, weil die
Schlitze 64 sich den ganzen Weg bis zur Außenwand 66 des Rotors erstrecken.
Die äußere Kante 74 eines jeden Plattenkolbens ist in dieser Ausführungsform
derart bearbeitet, daß sie mit der Außenwand 40 des Stators zusammenpaßt. In
anderen Worten ist die äußere Kante leicht konvex. Dies reduziert
Spaltvolumeneffekte zwischen dem Plattenkolben und dem Außengehäuse, die in
einigen früheren Motoren auftraten. Ein separates Einschubstück gegen
Verschleiß kann über das gesamte Ende der äußeren Kante eines jeden
Plattenkolbens eingebaut werden, um Reibung und Verschleiß zu vermindern. Der
Einschub kann einfach in einen Schlitz in den Plattenkolben gedrückt werden.
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In dieser Ausführungsform weist jeder Plattenkolben einen verbreiterten Abschnitt
25 angrenzend an dessen äußere Kante 74 auf. Dieser Abschnitt umfaßt zwei
seitliche Fortsätze 77 und 79, die gleitend auf den Schultern 69 bzw. 71 des
Rotors aufgenommen werden. Die Fortsätze 77 und 79 und die Schultern
gewähren Unterstützung für jeden Plattenkolben, um den Kräften, die auf die
äußere Kante 74 wirken, zu widerstehen. Dies entfernt Spannungen von der
inneren Kante 106 eines jeden Plattenkolbens, wie in den Fig. 7 und 8
gezeigt, und von den Plattenkolbendichtungen, die weiter unten beschrieben
werden.
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Wie in den Fig. 7 und 7a gezeigt, weist jeder Plattenkolben 68 dieser
Ausführungsform eine Nase oder einen Stift 107 auf seiner radial inneren Kante
106 auf, wobei der Stift sich radial nach innen erstreckt. Jeder Stift 107 wird
gleitend in einen transversalen Schlitz 109 in dem Rotor 54 aufgenommen. Der
Stift und der Schlitz erlauben eine transversale Hin- und Herbewegung eines jeden
Plattenkolbens, während sie auch Unterstützung gegen Kräfte gewährleisten, die
gegen die Flächen 111 und 113 eines jeden Plattenkolbens wirken, wie in den
Fig. 6 und 8 gezeigt. Der Stift vermindert also die Kräfte, die auf die
Plattenkolbendichtungen, die weiter unten beschrieben werden, wirken. Um die
Reibung zu vermindern, kann der Stift ein ringförmiges Teil aufweisen, das
drehbar darauf aufgenommen wird.
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Wie in Fig. 1 zu sehen, weist der Motor 14 Vorkehrungen für den Lufteinlaß an
der Öffnung 76 auf. Die Abgase verlassen den Motor durch die Öffnung 78. Die
Öffnung 80 läßt Kühlfluid in den Motor einfließen, während die Öffnung 82 zum
Abführen des Kühlmittels aus dem Motor dient. In dem Stator sind Kanäle 83
vorgesehen, die das Kühlmittel zum Kühlen des Motors befördern. Der Motor
weist außerdem Kraftstoffinjektoren 84 auf, die sich durch den Stator in die
Kammer 34 erstrecken. Auf jeder Seite des Motors gibt es einen
Kraftstoffinjektor, von denen nur einer in Fig. 1 gezeigt ist.
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Die Funktionsweise des Motors wird am besten mit Hilfe von Fig. 10
verstanden. Wie zu sehen ist, weist dieser spezielle Motor sechs Plattenkolben
auf, die jeweils mit 68.1-68.6 bezeichnet sind. Jede Seite des Motors
funktioniert im wesentlichen unabhängig von der anderen Seite. Zu
Erklärungszwecken wird daher nur die untere Hälfte, aus Sicht der Fig. 10, des
Motors beschrieben. Rotor 54 rotiert zur rechten Seite der Zeichnung. Jede Seite
des Motors weist eine Lufteinlaßöffnung 86 auf, über die der Stator mit der
Öffnung 76 aus Fig. 1 kommuniziert. Die Abgasöffnung 88 steht in Verbindung
mit der Öffnung 78. Der Motor wird unter Bezugnahme auf den Rotationsgrad
über die Kurvenfläche 42 beschrieben, wobei mit 0º an der linken Seite der
Zeichnung begonnen wird. Der Plattenkolben 68.1 befindet sich bei ungefähr 30º
unmittelbar vor der Lufteinlaßöffnung 86. Wenn dieser Plattenkolben sich weiter
vorwärts bewegt, wird Luft, die durch die Lufteinlaßöffnung 86 empfangen wird,
zwischen den Plattenkolben 68.1 und 68.6 eingeschlossen. Plattenkolben 68.2 ist
bei 90º am Verdichtungstakt gezeigt. Die Luft zwischen dem Plattenkolben 68.2
und 68.3 wird infolge des abnehmenden Volumens zwischen den Plattenkolben
komprimiert, da Plattenkolben 68.2 sich von dem unteren Kurvenabschnitt 90
zum höheren Kurvenabschnitt 92 bewegt. Die unteren Kurvenabschnitte sind
weiter vom Rotor 54 entfernt als die hohen Kurvenabschnitte.
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Die Luft zwischen zwei Plattenkolben ist vollständig verdichtet, wenn die
Positionen der Plattenkolben 68.3 und 68.4 erreicht sind, in denen die beiden
Plattenkolben sich über dem hohen Kurvenabschnitt 92 befinden. Plattenkolben
68.3 befindet sich bei 150º während Plattenkolben 68.4 sich bei 210ºC befindet.
Die Zündung geschieht in diesem Beispiel, wenn die Plattenkolben gerade an den
gezeigten Positionen vorbei sind und Plattenkolben 68.3 sich bei ungefähr 150ºC
befindet. Die Expansion der gezündeten Mischung wird dadurch erlaubt, daß der
Plattenkolben sich vorwärts in die Position des Plattenkolbens 68.5 bewegt. Dies
ist der Expansionstakt des Motors. Der Ablufttakt beginnt in der Position des
Plattenkolbens 68.5 bei 270ºC für diesen speziellen Motor. An diesem Punkt
befinden sich die Abgase zwischen dem Plattenkolben 68.5 und dem
Plattenkolben 68.6. Die Abgase werden durch die Abgasöffnung 88 gezwungen,
wenn sich der Plattenkolben 68. S nach vorne bewegt, was vom Standpunkt der
Zeichnung aus nach rechts ist. Die andere Seite des Motors funktioniert auf
gleichartige Weise, aber die Positionen der einzelnen Takte sind verschoben und
in folgender Reihenfolge Verdichtungstakt, Expansionstakt, Ablufttakt und
Ansaugtakt von links nach rechts vom Standpunkt der Fig. 10 aus angeordnet.
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In den Motoren dieses Typs des Standes der Technik wurde die Hin- und
Herbewegung der Plattenkolben bezüglich des Rotors typischerweise dadurch
erreicht, daß die Seitenkanten der Plattenkolben entlang wellenförmigen
Kurvenoberflächen geführt wurden, während der Rotor rotierte. Wie aus Fig. 10
ersichtlich, sind hohe Kurvenoberflächen 92 auf der einen Seite des Motors
entgegengesetzt tiefen Kurvenoberflächen 90 auf der anderen Seite des Motors
angeordnet.
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Aber dennoch verläßt sich der Motor 14 nicht auf die Kurvenflächen, um die
Plattenkolben hin- und herzubewegen. Stattdessen, wie in den Fig. 1 und 10
zu sehen, weist der Motor Mittel in Form einer wellenartigen Nockenrille 96, die
sich über die Außenwand 40 der Kammer 34 erstreckt, auf, die die Plattenkolben
unabhängig von den Kurvenoberflächen hin- und herbewegen. Die Nockenrille
96, auch Führungsnocke genannt, erstreckt sich über den Stator in einem
wellenförmigen Muster, wie es am besten in Fig. 10 zu sehen ist. In diesem
speziellen Beispiel befindet sich die Rille auf halbem Wege zwischen den
Kurvenoberflächen, was nicht notwendig ist.
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Jeder Plattenkolben weist eine Kurvenrolle in der Form eines Stiftes 98 auf, der
am besten in Fig. 1 zu sehen ist. Der Durchmesser des Stiftes 98 eines jeden
Plattenkolbens ist geringfügig kleiner als die Weite der Kurvenrille 96, so daß die
Stifte gleitend der Rille folgen, während der Rotor rotiert. Dies kann man den
unterschiedlichen Positionen der Plattenkolben, die in Fig. 10 gezeigt sind,
entnehmen. Die Stifte 98 bringen die Plattenkolben dazu, sich in axialer Richtung
hin- und herzubewegen, während der Rotor rotiert.
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Verglichen mit den oben erwähnten Motoren dieser Art des Standes der Technik
bedeutet die Bereitstellung einer Steuerkurve und eines Abtastelementes, in der
Form einer Kurvenwelle 96 und Stiften 98, daß die Kraft, um die Plattenkolben
zu bewegen, von den Kurvenoberflächen 46 und 44 entfernt ist. Daher kann die
Materialfestigkeit auf den Kurvenoberflächen reduziert werden, so daß leichtere
Materialien wie z. B. Aluminium eingesetzt werden können. Zusätzlich kann
flüssiges Schmiermittel auf die Kurvenrille und die Stifte angewendet werden, um
Reibung und Verschleiß zu verringern. Früher mußte die Last von den
Kurvenoberflächen getragen werden, die viel höherer Grenzschmierung und daher
höhere Verschleißraten und Reibungsverluste aufwiesen. Das Schmiermittel kann
in die Führungsrille, die auf dem Außengehäuse 18 des Stators angeordnet ist,
entweder über den Rotor eingeführt und durch das Außengehäuse abgeführt oder
durch das Außengehäuse eingeführt werden und durch andere Öffnungen in dem
Außengehäuse oder zurück durch den Rotor abgeführt werden. Die Kurvenrille
kann direkt in das Außengehäuse eingearbeitet werden, wie in der in Fig. 1
dargestellten Ausführungsform, oder kann in einen Einschub eingearbeitet
werden, das gegossen wird oder auf andere Art und Weise an der Innenseite des
Außengehäuses befestigt wird. Die Kurvenrille kann, wenn gewünscht, mit einem
verschleißfesten Material beschichtet werden.
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Fig. 4 zeigt einen der Stifte 98 mit einem Abtastteil 100, das drehbar auf dem
Stift angeordnet ist. Das Abtastteil ist in der Regel in diesem Beispiel elliptisch
mit abgeschnittenen Enden. Das Abtastteil wird gleitend von der Rille 96
aufgenommen.
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Als andere Möglichkeit können separate, lose Teile 102 an jedem Pin 98 befestigt
sein, wie in Fig. 5 gezeigt. Dabei handelt es sich um lose Teile, die dazu
benutzt werden, das Schmiermittel auf die Seiten der Rille 96 zu führen, um die
hydrodynamische Lasttragfähigkeit der Pins zu verbessern. In diesem Beispiel ist
das Teil 102 spitz.
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Die dargestellten Pins 98 sind zylindrisch. Allerdings sind auch andere Formen
möglich, wie z. B. ein abgeschnittenes Oval oder andere nicht kreisförmige
Querschnitte, die angenommen werden, um die Lasttragfähigkeit zu optimieren.
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Motor 14 weist einen verglichen mit derartigen Motoren des Standes der Technik
verbessertes Dichtsystem auf, wie in den Fig. 6 bis 9 gezeigt. Jeder
Plattenkolben 68 weist einen Schlitz 104 längs der radial inneren Kante 106 des
Plattenkolben auf. Die Rille erstreckt sich zwischen den Seitenkanten 70 und 72
mit einer Unterbrechung in deren Zentrum, die durch eine Bohrung 108 gebildet
wird, die sich radial nach außen von der inneren Kante 106 bis in die Nähe der
äußeren Kante 74 des Plattenkolbens erstreckt. Ein Paar Dichtungen 110 und 112
werden gleitend in dem Schlitz 104 aufgenommen und erstrecken sich nach außen
von dessen Zentrum bis zu den Seitenkanten 70 und 72. Die Dichtungen sind in
der Regel rechteckig. Jede Dichtung weist einen Vorsprung 114 an dessen Ende
und angrenzend an die Bohrung 108 auf. Zusätzlich hat die longitudinale Kante
115 in dem Schlitz 104 Schultern 116 und 118, die an dessen entgegengesetzten
Enden angrenzen, wie in Fig. 9 zu sehen. Die Dichtungen 110 und 112 haben
axial außenliegende Enden 120 bzw. 122, die sich an Enden, die den
Vorsprüngen 114 entgegenliegen, befinden. Diese äußeren Enden umfassen einen
radial äußeren Abschnitt 124, am besten zu sehen in Fig. 9, der unter einem
spitzen Winkel relativ zu den Seitenkanten des Plattenkolbens abgeschrägt ist. In
diesem Beispiel weisen die Außenabschnitte einen Winkel von 45º relativ zu z. B.
den Seitenkanten 72 auf. Dieser Winkel könnte allerdings auch anders sein. Jedes
Ende weist also einen radial inneren Abschnitt 126 auf, der parallel zur
Seitenkante 72 ist und gegen die Kurvenoberfläche 44 zur Anlage kommt, wie in
Fig. 1 gezeigt.
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Im Schlitz 104 zwischen jeder Dichtung 110 und 112 und dem Plattenkolben
befindet sich eine Blattfeder 128. Die Blattfeder erstreckt sich zwischen den
Schultern 116 und 118 und spannt jede Dichtung elastisch von dem Schlitz 104
weg über die innere Kante 106 des Plattenkolbens vor.
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Jede Dichtung weist außerdem ein elastisches Mittel zum Vorspannen der
Dichtung axial nach außen auf die Kurvenoberfläche zu auf. Dies ist als weitere
Blattfeder 130 ausgebildet, die von der Bohrung 108 aufgenommen wird und an
den Vorsprung 114 der Dichtung angepaßt ist. Es gibt eine ähnliche Feder für die
Dichtung 110.
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Jeder Plattenkolben weist eine Rille 132 auf, die sich längs jeder Seitenkante
erstreckt, wie dies für die Seitenkante 72 in Fig. 7 gezeigt wird. Eine weitere in
der Regel rechteckige Dichtung 134 wird gleitend in der Rille aufgenommen, wie
in Fig. 9 zu sehen. Die Dichtung ähnelt in ihrer Form den Dichtungen 110 und
112 und ist mit Schultern 136 (nur eine dargestellt) auf der Kante 140
ausgestattet, die eine Blattfeder 142 aufnimmt. Die Blattfeder spannt die Dichtung
nach außen auf Richtung der angrenzenden Kurvenoberfläche und weg von dem
Plattenkolben vor. Jede solcher Dichtungen hat ein radial inneres Ende 144, das
abgeschrägt ist, in diesem Beispiel unter einem Winkel von 45º relativ zur
Seitenkante 72 des Plattenkolbens. Man kann sehen, daß das Ende 144 der
Dichtung 134 gleitend mit dem äußeren Abschnitt 124 der Dichtung 112 in
Anschlag steht. Auf der entgegengesetzten Seite des Plattenkolbens gibt es eine
ähnliche Dichtung 134, die eine ähnliche Beziehung zur Dichtung 110 hat. Jede
Dichtung 134 ist kürzer als die Höhe des Plattenkolbens und der Kurvenfläche,
um den Abschnitt 126 der Dichtung 110 und 112 möglich zu machen, der
ebenfalls die Kurvenoberfläche abfährt. Da die Länge der Kurvenhöhe sich mit
dem Verschleiß oder thermischer Expansion ändert, gleiten die Dichtung 134 auf
den angewinkelten Oberflächen, die mit den Dichtungen 110 und 112 geteilt
werden, um die resultierende Lücke aufzufüllen.
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Die Dichtungen 110, 112 und 134 können aus einer Vielzahl von Werkstoffen
hergestellt werden wie z. B. monilitischen Siliziumnitrid, Gußeisen, Ferrotik oder
Clevite 300. Die Dichtungen sind außerdem so angeordnet, daß sie durch die
Gase, die von dem Motor verdichtet werden, nach außen vorgespannt werden.
Die Blattfedern dienen dazu, anfangs die Dichtungen nach außen zu drücken, bis
während des Betriebes die verdichteten Gase zur Verfügung stehen.
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Blockdichtungen 146 werden in Taschen 148 auf jeder Seite des Rotors 54
aufgenommen, wie in Fig. 8 zu sehen. Die Blockdichtungen haben Außenflächen
150, die gleitend die Oberfläche des Gehäuses berühren. Jede Dichtung hat eine
Fläche 152, die gleitend die innere Kante 106 des Plattenkolbens berührt. Die
Dichtungen gleiten nicht mit dem Plattenkolben. Es gibt einen Schlitz 154, der
gleitend die radiale innere Kante einer der Dichtungen 110 und 112 aufnimmt.
Jede dieser Dichtungen wird gegen den Plattenkolben durch eine Kombination aus
Zentrifugalkraft und einer Hilfsfeder belastet. Eine einfache zylindrische
Kompressionsfeder kann z. B. verwendet werden, um jede Blockdichtung gegen
den Plattenkolben zu belasten. Diese kann in einer Öffnung in dem Rotor gehalten
werden. Eine andere ähnliche Feder wird benutzt, um die äußeren Dichtungen
gegen die Oberflächen im Gehäuse zu belasten. Diese Federn werden in die
Stirnseite des Rotors eingesetzt.
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Der Rotor weist außerdem eine Vielzahl von teilweise kreisförmigen Dichtungen
156 auf, die in bogenförmigen Rillen 158 auf jeder Seite des Rotors zwischen den
Blockdichtungen 146 aufgenommen werden. In dieser Ausführungsform sind diese
Dichtungen rechteckig in ihrem Querschnitt und aus Eisen oder Stahl gefertigt
und werden mit Hilfe von wellenförmigen Federn 160 in den Schlitzen 158 mit
Gas beladen, wie in Fig. 8a gezeigt. Das Gasdichten wird durch
Verbrennungsdruck erreicht, der um die Dichtungen herum in die Freiräume
hinter den Dichtungen ausleckt, wie es mit Kolbenringen bei herkömmlichen
Kolbenzustrom geschieht. Die wellenförmigen Federn werden auch für die
Dichtungen 172, 166 und 162 eingesetzt. Wie in Fig. 8 zu sehen, sind die
Enden der Dichtungen 156 derart bearbeitet, daß sie gegen die Blockdichtungen
146 in Anschlag kommen.
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Der Rotor weist auch eine kreisförmige Dichtung 162 auf, die in einer
kreisförmigen Rille 164 aufgenommen wird, die auf der radialen Innenseite der
Dichtungen 156 angeordnet ist. Dies gewährleistet einen zusätzlichen Schutz vor
Gaslecks und verhindert auch, daß Öl aus den Wellenlagern 32, in Fig. 1
gezeigt, in die Verbrennungskammer ausleckt. Eine andere Feder, ähnlich der
Feder 160 in Fig. 8a, wird verwendet, um diese Dichtung vorzubelasten.
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Es gibt auch Dichtungen 166 mit rechteckigem Querschnitt, die in Rillen 168 auf
jeder Seite eines jeden Schlitzes 64 in dem Rotor aufgenommen werden, die
ihrerseits die Plattenkolben aufnehmen, wie in Fig. 8 zu sehen. Die Rillen
erstrecken sich in radialer Richtung und die Dichtungen werden gleitend in den
Rillen aufgenommen und zu jedem Plattenkolben 68 hin in dem Schlitz
vorgespannt. Vier solcher Dichtungen 166 sind in Fig. 6 gezeigt. Man kann
sehen, daß das radial äußere Ende 170 jeder dieser Dichtungen an der radial
inneren Oberfläche der lateralen Verlängerung 77 und 79 anliegt, wie in Fig. 8
zu sehen.
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Es gibt auch eine Vielzahl von bogenförmigen Dichtungen 172, die in Rillen 174
in der Außenwand 66 des Rotors aufgenommen werden, die sich zwischen den
Plattenkolben und den Dichtungen 166 erstrecken, wie in Fig. 8 zu sehen. Diese
Dichtungen weisen auch Kanten 176 auf, die gegen die lateralen Verlängerungen
77 und 79 anliegen. Die Dichtungen 172 haben einen rechteckigen Querschnitt
und sind durch wellenförmigen Federn ähnlich den Federn 160 in Fig. 8a nach
außen vorgespannt. Die Gaskraft zusammen mit der Zentrifugalkraft halten die
Dichtungen nach außen vorgespannt, wenn der Motor einmal läuft. Wie die
Dichtungen 166 können die Dichtungen 172 als duale Dichtungen (ein Rücken-an-
Rücken Paar pro Seite) eingebaut werden, um für zusätzliche Dichteffizienz zu
sorgen.
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Der oben beschriebene Motor ist ein Verdichtungsverbrennungsmotor mit einem
Verdichtungsverhältnis zwischen 14 : 1 und 22 : 1. Als andere Möglichkeit kann die
Erfindung auf Funkenzündmotoren und andere Rotationsvorrichtungen wie
Kompressoren oder Pumpen angewendet werden.
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Ein Fachmann versteht, daß die oben bereitgestellten Einzelheiten lediglich als
Beispiel gemeint sind und nicht dazu gedacht sind, den Schutzbereich der
Erfindung einzugrenzen, der unter Bezugnahme auf die folgenden Ansprüche
definiert wird.