-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, die
ein Gehäuse
mit einem Hohlraum umfasst, einen im Gehäuse aufgenommenen Rotor, welcher
Rotor eine Rotorachse und eine periphere Oberfläche aufweist, Einlass- und
Auslasskanäle
in Verbindung mit dem Hohlraum, einen oder mehrere Schieber, die
in Schlitzen im Rotor radial verschiebbar aufgenommen sind, wobei
sich jeder Schieber radial von der inneren Oberfläche des
Gehäuses
zur Rotorachse erstreckt, und wobei mindestens eine Arbeitskammer
Teil des Hohlraums ist und durch die innere Oberfläche des
Gehäuses,
die periphere Oberfläche
des Rotors und die Seitenoberfläche
von mindestens einem Schieber begrenzt wird, (siehe US-A-3 537 432).
-
Die
Rotationskolbenmaschine ist eine thermodynamische Maschine, die
mit einigen Modifizierungen als Verbrennungsmotor, Wärmetauscher, Pumpe,
Vakuumpumpe und Verdichter verwendet werden kann. Die Rotationskolbenmaschine
kann in mehreren Einheiten und in großen Stückzahlen zusammengesetzt werden,
so dass das Maschinenprinzip sowohl für die Verdichtereinheit als
auch die Verbrennungsmotoreinheit in einem aufgeladenen Motor verwendet
wird. Es ist bereits an dieser Stelle festzuhalten, dass die Rotationsmaschine
keine Kurbelwelle hat und die Leistungszufuhr zu bzw. Leistungsentnahme
von der Maschine direkt am Rotor stattfindet.
-
Verbrennungsmotoren
aus dem Stand der Technik in Rotationsbauart werden als Rotationskolbenmotoren
ausgeführt.
Hier dreht sich der Rotationskolben, der die Form eines Rotors mit
einer gekrümmten
dreieckigen Grundkonstruktion hat, in einer ringförmigen Zylinderbohrung.
Solche Verbrennungsmotoren haben zusätzlich zu einer komplizierten
Grundkonstruktion den Nachteil, dass bei der Abdichtung zwischen
Rotor und Zylinderwand beträchtliche
Dichtungsprobleme bestehen. Außerdem
haben diese Verbrennungsmotoren einen sehr hohen Kraftstoffverbrauch.
-
Ein
Verbrennungsmotor aus dem Stand der Technik ist aus der DE-30 11 399 bekannt,
welcher Motor ein Motorgehäuse
mit einer Arbeitskammer umfasst, die einen kontinuierlich drehbaren
Rotor aufnimmt, und einen Einlass bzw. Auslass für Verbrennungsgase. Der Rotor
ist im Wesentlichen zylindrisch und dreht sich in einem elliptisch
ausgelegten Hohlraum, der diametral gegenüberliegende Verbrennungskammern
umfasst, die durch die Oberfläche
des Rotors und die innere Oberfläche
des Hohlraums definiert sind. Der Rotor ist mit radial sich erstreckenden
Gleitschlitzen ausgeführt,
die Schieberkolben aufnehmen und führen, welche in den Gleitschlitzen
radial nach außen
und innen gleiten können.
Die Schieber sind über
einen Verbindungsstab mit einem Kurbelzapfen gelenkig verbunden,
der darüber
hinaus ein Teil einer gelagerten Kurbelwelle ist. Bei Drehung des
Rotors bewegen sich die Kolbenschieber aufgrund der festen Lagerung
am Kurbelzapfen in den Gleitschlitzen radial nach außen und
innen. Folglich arbeitet der eine Satz von Schiebern in einem Teil
des Hohlraums, also in der einen Verbrennungskammer, während der
andere Satz von Schiebern in der diametral gegenüberliegenden Kammer arbeitet.
-
Im
US-Patent 4 451 219 ist eine Rotationsdampfmaschine offenbart, die
zwei Kammern und keine Ventile hat. Auch diese Maschine hat zwei
Sätze von
Rotorlamellen mit drei Lamellen in jedem Satz. Jeder Satz der Rotorlamellen
dreht sich um seinen eigenen exzentrischen Punkt auf einer feststehenden,
gemeinsamen Kurbelwelle innerhalb eines elliptischen Motorgehäuses. Ein
trommelartiger Rotor ist zentrisch im Motorgehäuse angebracht und bildet zwei
diametral gegenüberliegende,
radiale Arbeitskammern. Die beiden Sätze der Rotorlamellen bewegen
sich in den Gleitschlitzen im Rotor im Wesentlichen radial nach
außen
und innen, entsprechend dem oben beschriebenen Motor. Auch hier sind
die Schieber an ihrem zentrischen Ende an einem exzentrisch angeordneten,
festen Wellenstummel gelagert. Die Schieber sind aber nicht gelenkig, sondern
sind am entgegengesetzten Ende drehbar in einem Lager gelagert,
das am Umfang des Rotors vorgesehen ist.
-
Auch
Pumpen und Verdichter in Schieberbauart sind bekannt. Das US-Patent
4 451 218 betrifft eine Schieberpumpe mit starren Schiebern und
einem Rotor, der im Pumpengehäuse
exzentrisch gelagert ist. Der Rotor ist mit Schlitzen versehen,
durch die die Schieber radial hindurchlaufen und geführt sind.
An jeder Seite der Gleitschlitze sind Dichtungen vorgesehen.
-
Im
US-Patent 4 385 873 ist ein Rotationsmotor in Schieberbauart gezeigt,
der als Motor, Verdichter oder Pumpe verwendet werden kann. Auch
dieser Motor hat einen exzentrisch angebrachten Rotor, durch den
eine Anzahl an starren Schiebern radial hindurchgehen.
-
Weitere
Beispiele aus dem Stand der Technik sind in US-4 767 295 und US-5
135 372 offenbart.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotationskolbenmotor
mit einem hohen Wirkungsgrad, niedrigem Kraftstoffverbrauch und
geringem Ausstoß schädlicher
Substanzen, wie Kohlenmonoxid, Stickstoffgase und unverbrannte Kohlenwasserstoffe,
bereitzustellen.
-
Eine
andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Rotationskolbenmaschine mit
kompakter Konstruktion bereitzustellen, also eine Maschine mit kleinem
Verdrängungsvolumen
und mit einem kleinen Gesamtbauraum in Bezug auf die Leistungsabgabe.
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Rotationskolbenmaschine der eingangs beschriebenen
Art bereitgestellt, die sich dadurch auszeichnet, dass jeder Schieber
mit einem Ende eines Steuerarms um eine Achse gelenkig verbunden
ist und in dem anderen Ende desselben in einer festen Achswelle
mit einer Mittelachse drehbar gelagert ist, die mit der Achse zusammenfällt, die
sich mittig durch den Hohlraum des Gehäuses erstreckt, welche Achse
sich parallel zu und beabstandet von der Rotorachse erstreckt, und
wobei der eigentliche Rotor die Einheit zum Leistungsabtrieb oder
zur Leistungsaufnahme bildet. Die oben offenbarte Ausführungsform
ist eine reine Rotationskolbenmaschine, die ein Verdichter oder
ein Verbrennungsmotor mit oder ohne einem externen Verdichter sein
kann.
-
Vorzugsweise
beschreibt jedes Schieberende einen Zylinderoberflächensektor
mit einem Krümmungsmittelpunkt
in der Achse durch das Gelenk, das den Schieber mit dem Steuerarm
verbindet. Der dahinter stehende Gedanke ist, dass das Ende des Schiebers
entlang einer sich zur Rotorachse parallel erstreckenden Linie zu
jedem Zeitpunkt tangential zur inneren Oberfläche des Hohlraums liegen, diese Oberfläche aber
nicht berühren
soll. Während
der Drehung des Rotors wandert diese Linie am Schieberende und beschreibt
zu jedem Zeitpunkt eine Zylinderfläche, die annähernd der
inneren Oberfläche
des Gehäuses
entspricht, mit einem Toleranzunterschied, der nur zwischen dem
Ende des Schiebers und der inneren Oberfläche des Gehäuses vorliegt. Die Toleranz
zwischen dem Schieberende und der inneren Oberfläche des Hohlraums sollte so
klein sein, wie sie in der praktischen Herstellung nur möglich ist.
-
Als
besonders bevorzugte Ausführungsform ist
die Bogenlänge
des Zylinderoberflächensektors und
somit die Dicke jedes Schiebers bestimmt durch geometrische Verhältnisse,
d. h. durch den Radius des Zylinderoberflächensektors, den Abstand zwischen
der Mittelachse des Hohlraums und der Achse durch das Gelenk, das
den Schieber mit dem Steuerarm verbindet, und den Abstand zwischen
der Rotorachse und der Mittelachse des Hohlraums. Bei Vorliegen
dieser geometrischen Bedingungen erhält man eine optimale Konstruktion,
durch die während einer
vollständigen
Umdrehung des Rotors das Schieberende zu jedem Zeitpunkt tangential
zur inneren Oberfläche
des Hohlraums liegt, und diese Ausführungsform kann auch gut ohne
den Einsatz von Dichtungen arbeiten.
-
Es
ist festzuhalten, dass der Schieber in seiner Dicke größer ausgelegt
werden kann, ohne eine Auswirkung auf die Dichtwirkung mit der inneren Oberfläche des
Hohlraums zu bekommen. Wenn aber die Dicke des Schiebers geringer
als das Optimum ist, wird eine Berührung zwischen dem Ende des
Schiebers und der inneren Oberfläche
des Hohlraums in Teilstücken
der Umdrehung des Schiebers im Rotor nicht erhalten, und normalerweise
ist dann eine Dichtung am Schieberende erforderlich. Je dünner der
Schieber in Bezug auf das Optimum ist, desto länger ist der Bereich, in dem
das Schieberende die innere Oberfläche des Hohlraums nicht berührt.
-
Für einige
Ausführungsformen
kann es geeignet sein, ein Dichtmittel zwischen dem Ende des Schiebers
und der inneren Oberfläche
des Gehäuses vorzusehen.
Das Dichtmittel ist vorzugsweise an der Stirnseite des Schiebers
vorgesehen und gleitet über die
innere Oberfläche
des Hohlraums. In einigen Fällen
kann es auch geeignet sein, ein Dichtmittel zwischen den Schieberschlitzen
im Rotor und wenigstens einer Seitenfläche des Schiebers vorzusehen. Ein
Dichtmittel kann auch zwischen der inneren Oberfläche des
Gehäuses
und der peripheren Oberfläche
des Rotors vorgesehen sein, wo die Oberflächen einander berühren, alternativ
in dem Bereich, in dem sie einander schneiden.
-
Um
den Verschleiß der
Schieber zu minimieren und die Betriebslebensdauer zu erhöhen, können Gleitlager
in den Schlitzen im Rotor vorgesehen sein. Die Gleitlager können in
Form von austauschbaren Lagereinsätzen vorliegen oder dauerhaft
am Rotor vorgesehen sein.
-
In
einer Ausführungsform
kann die periphere Oberfläche
des Rotors in die innere Oberfläche
des Gehäuses über einen
Sektor einschneiden, und dann ist eine entsprechende Aussparung
in dieser Oberfläche
des Motorgehäuses
gebildet.
-
In
einer Ausführungsform
umfasst die Rotationskolbenmaschine wenigstens eine Verdichtereinheit,
die mit der Verbrennungsmotoreinheit mitrotiert und eine der Verbrennungsmotoreinheit
entsprechende Konstruktion aufweist, also einen separaten Hohlraum,
einen separaten Rotor und separate Schieber hat, zusätzlich zu
Kanälen,
die die jeweiligen Hohlräume
verbinden.
-
Mit
der Aufgabe, die feste Achswelle im Gehäuse zu stabilisieren, kann
das freie Ende der Achswelle innen im eigentlichen Rotor mittels
eines herkömmlich
gestalteten, exzentrischen Adapters und eines Lagers gehaltert sein.
-
Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Rotationskolbenmaschine gemäß der Erfindung
wird nun ausführlicher
mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In diesen
zeigen:
-
1 eine
perspektivische Ansicht einer Ausführungsform einer Rotationskolbenmaschine
in Form eines Verbrennungsmotors und zweier angrenzender Verdichter,
einer an jeder Seite des Verbrennungsmotors, und so, wie sie im
zusammengebauten Zustand aussieht,
-
2 zeigt
die Rotationskolbenmaschine, wenn einer der Abschlussdeckel abgehoben
ist,
-
3 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 2, wenn
das Endlager abgenommen ist,
-
4 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 3, wenn
ein weiteres Teil des Gehäuses abgehoben
ist und mehr von dem Rotor zum Vorschein kommt,
-
5 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 4, wenn
ein weiteres Teil des Gehäuses abgehoben
ist und noch mehr vom Rotor zum Vorschein kommt,
-
6 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 5, wenn
ein weiteres Teil des Gehäuses abgehoben
ist und noch mehr vom Rotor zum Vorschein kommt,
-
7 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 6, in der
eine Hälfte
des Rotorgehäuses abgehoben
ist und die Rotor/Schiebereinheit klar zum Vorschein kommt,
-
8 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 7, in der
auch die Rotor/Schiebereinheit abgehoben ist, so dass die zweite
Hälfte
des Rotorgehäuses
im Gehäuse
verbleibt, zusätzlich
zu der exzentrisch im Gehäuse
vorgesehenen Achswelle,
-
9 zeigt
die Rotationskolbenmaschine nach 8, in der
das letzte Teil des Rotors entfernt ist,
-
10 zeigt
die Rotationskolbenmaschine, wenn ein weiteres Teil des Gehäuses abgehoben
ist,
-
11 zeigt
die Rotationskolbenmaschine, wenn ein weiteres Teil des Gehäuses abgehoben
ist, so dass nur der zweite Abschlussdeckel zusammen mit der exzentrischen
Achswelle übrig
bleiben,
-
12 zeigt
die exzentrische Achswelle,
-
13 zeigt
die zusammengebaute Rotor/Schiebereinheit mit drei Schieberteilen,
-
14 zeigt
die Einheit nach 13, in auseinandergenommenem
Zustand und mit den einzelnen Teilen auseinandergezogen dargestellt,
-
15 zeigt
eine Hälfte
des Rotorgehäuses von
außen
gesehen,
-
16 zeigt
dieselbe Rotorgehäusehälfte wie
in 15, aber von innen gesehen,
-
17 zeigt
die untere Hälfte
des Rotorgehäuses
von innen gesehen,
-
18 zeigt
die untere Hälfte
des Rotorgehäuses
von außen
gesehen,
-
19 zeigt
eine Prinzipansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
in Form eines Verdichters oder einer Pumpe mit vier Schiebern,
-
20 zeigt
eine andere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine mit
vier Schiebern, in der die periphere Oberfläche des Rotors entlang eines
Sektors in die innere Oberfläche
des Gehäuses
einschneidet,
-
21 zeigt
eine Prinzipansicht von noch einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine
mit nur einem Schieber, und
-
22 zeigt
den exzentrischen Adapter, der den Rotor exzentrisch in Bezug auf
den Hohlraum des Gehäuses
hält.
-
1 zeigt
eine Ausführungsform
einer Rotationskolbenmaschine 10 gemäß der Erfindung. Es ist jedoch
festzuhalten, dass dies eine Ausführungsform der Maschine ist,
die sich aus einer Verbrennungsmotoreinheit und zwei Verdichtereinheiten, eine
auf jeder Seite der Verbrennungsmotoreinheit, zusammensetzt, und
bei der sich alle Einheiten mit einander drehen. Darüber hinaus
ist festzuhalten, dass der Motor mit einer solchen Präzision konstruiert
und gefertigt wurde, dass der Einsatz von Dichtungen auf einem Minimum
gehalten ist. Es wird der Einsatz von Labyrinthdichtungen in Erwägung gezogen.
Weitere Versuche werden dies mit der Zeit zeigen und vermutlich
werden zumindest einige Anwendungen auch gut ohne Dichtungen und
ohne Schmierung arbeiten, mit Ausnahme der Lager, die abgedichtet
und dauergeschmiert sind. Die Konstruktionsmaterialien können verschiedene
Stahlqualitäten umfassen,
aber auch Kunststoffe und Teflon eignen sich für einige Anwendungen gut.
-
Die
Rotationskolbenmaschine 10 stellt in den 1 bis 18 einen
aufgeladenen Verbrennungsmotor dar. Der Motor 10 umfasst
ein Gehäuse 5 mit mehreren
inneren zylindrischen Oberflächen,
die einen exzentrisch angeordneten Rotor 2 umgeben, wobei
in der Figur das Leistungsabgabeteil des Rotors 2 gezeigt
ist. Man beachte, dass der Motor keine Kurbelwelle hat und die Leistung
direkt vom Rotor 2 abgenommen wird. Der Rotor 2 dreht
sich um eine Rotationsachse A. Das Gehäuse 5 ist aus einer
Anzahl von Platten aufgebaut, die ähnliche Dicken und Außenkonturen
haben. Das Gehäuse 5 kann
statt dessen in zwei Hälften
hergestellt sein, die aneinandergesetzt werden. Wie jedoch das Gehäuse herzustellen
ist, liegt in der Wahl des Fachmanns.
-
Der
Rotationskolbenmotor 10 umfasst darüber hinaus Einlasskanäle 3 für ein Kraftstoff/Luft-Gemisch
und Auslasskanäle 4 für das Abgas.
Die einzelnen Teile des Gehäuses 5 werden
durch Schrauben zusammengehalten, die sich durch Bohrungen 13 in
jeder Ecke des Gehäuses 5 erstrecken.
Die einzelnen Platten, aus denen das Gehäuse 5 besteht, sind
mit 5a bis 5g nummeriert. Somit stellt die Platte 5a den
oberen Abschlussdeckel und die Platte 5g den unteren Abschlussdeckel
dar.
-
2 zeigt
den Rotationskolbenmotor 10 nach 1, wobei
aber der obere Abschlussdeckel 5a abgehoben ist. Dadurch
erscheint ein oberes Endlager 14. Innerhalb des Abschlussdeckels 5a befindet
sich eine kreisförmige Öffnung,
die zur Aufnahme des Lagers 14 ausgespart ist. Das Lager 14 dient
somit als Abschlusslager für
den Rotor 2.
-
3 zeigt
dasselbe wie 2, nur dass das Endlager 14 vom
Ende des Rotors 2 abgehoben wurde. So ist vom Rotor 2 mehr
zu sehen.
-
4 zeigt
dasselbe wie 3, wobei jedoch eine weitere
Platte 5b vom Gehäuse 5 abgehoben
wurde. So erscheint noch mehr vom Rotor 2 und es ist auch
ein Rotorschieber 1a gezeigt. Auch der Einlasskanal 3 ist
gezeigt. Der Einlasskanal 3 führt von außen am Motorgehäuse 5 zu
einer Kammer 9a im Gehäuse 5.
Dieser Teil des Rotors 2 mit den Schiebern 1a und
dem in 4 dargestellten Gehäuseteil 5c bildet
eine erste Verdichtereinheit, die sich um die Achse A dreht.
-
In 5 ist
ein weiteres Teil 5c des Gehäuses 5 abgehoben und
weitere Teile des Rotors 2 erscheinen. So ist ein Rotorschieber 1b gezeigt,
der in der Kammer 9b läuft
und zusammen mit diesem Teil des Rotors 2 die Verbrennungsmotoreinheit
bildet. Von der Kammer 9b in der Verbrennungsmotoreinheit
erstreckt sich ein Auslasskanal 4, der nach außen führt.
-
In 6 ist
ein weiteres Plattenteil 5d des Gehäuses 5 abgehoben,
und es tritt noch mehr von der Verbrennungsmotoreinheit in Erscheinung.
-
In 7 ist
die obere Hälfte 2a des
Rotors 2 abgehoben und die Schiebereinheit 1 mit
ihren jeweiligen Schiebern 1a, 1b ist deutlich
zu sehen. In der gezeigten Ausführungsform
umfasst die Schiebereinheit 1 drei Verdichterschieber 1a und
drei Verbrennungsmotorschieber 1b. Jeder Schieber 1a, 1b ist mit
einem Ende eines Steuerarms 7 gelenkig verbunden, der an
seinem anderen Ende drehbar an einer stationären Achswelle 8 gelagert
ist, die eine Mittelachse B hat, die mit der Längsachse des Motorgehäuses 5 zusammenfällt. Dies
ist zur Gänze
in den 8 bis 12 zu sehen. Die Steuerarme 7 übertragen
keinerlei Leistung, aber sorgen dafür, dass jeder Schieber 1a, 1b, 1c in
den Führungsschlitzen 11 im
Rotor 2 radial nach innen und außen gleitend zwangsgeführt ist,
so dass die Schieberenden zu jedem Zeitpunkt während der Drehung des Rotors 2 die
inneren Oberflächen
des Gehäuses
berühren. Bezugszahl 6 bezeichnet
einen exzentrischen Adapter, der untenstehend mit Bezug auf 22 näher beschrieben
wird. Die andere Verdichtereinheit liegt unter der Verbren nungsmotoreinheit
und ist ein exaktes Gegenstück
zur oberen Verdichtereinheit.
-
In 8 ist
der untere Teil 2b des Rotors 2 gezeigt, nachdem
die Schiebereinheit 1 abgehoben wurde. In dieser Figur
sind die radial sich erstreckenden Schlitze 11, in denen
die jeweiligen Schieber 1a, 1b, 1c laufen,
deutlich gezeigt. Wie erwähnt
erstreckt sich die Achswelle 8 zentrisch im Hohlraum 9 des Gehäuses 5.
Die Achse A des Rotors 2 erstreckt sich parallel zur Mittelachse
B des Gehäuses 5,
erstreckt sich aber exzentrisch in Bezug auf die Achse B des Gehäuses 5.
Diese Exzentrizität
ist in 7 dargestellt, wo beide Achsen A und B gezeigt
sind. Durch diese Exzentrizität
erhält
man die radiale Bewegung bzw. die erzwungene Bewegung der jeweiligen Schieber 1a, 1b, 1c nach
innen und außen
in den jeweiligen Führungsschlitzen 11 im
Rotor 2.
-
9 zeigt
den Hohlraum 9 im Motorgehäuse 5, nachdem auch
der untere Teil 2b des Rotors 2 herausgehoben
wurde.
-
In 10 ist
noch ein weiteres Plattenteil 5e des Gehäuses abgehoben.
-
11 zeigt
den letzten Abschlussdeckel 5g, nachdem das Plattenteil 5f abgehoben
wurde.
-
12 zeigt
die feststehende Achswelle 8, die an einem feststehenden
Abschlussflansch 15 befestigt ist.
-
13 zeigt
die zusammengebaute Schiebereinheit 1, wenn sie auf die
feststehende Achswelle 8 aufgesetzt werden soll. Wie erwähnt besteht
die Schiebereinheit 1 aus einem Verbrennungsmotorschieber 1b und
zwei Verdichtermotorschiebern 1a und 1c, die sich
seitlich am Verbrennungsmotorschieber 1b befinden. Jeder
Satz an Schiebern 1a, 1b, 1c ist mit
einem jeweiligen Steuerarm 7 gelenkig verbunden. Wenn die
Schiebereinheit 1 aus einem Satz mit drei Schiebern besteht,
hat es sich als zweckmäßig herausgestellt,
die jeweiligen Steuerarme 7 mit unterschiedlichen gegenseitigen
Abständen für jeden
Satz der Schieber 1a, 1b, 1c anzuordnen, wie
in 14 gezeigt ist. Jeder Steuerarm 7 umfasst ein
Lager 16, wodurch der Satz der Schieber 1a, 1b, 1c und
jeder Steuerarm 7 um die feststehende Achswelle 8 rotieren
können.
Darüber
hinaus besteht jeder Satz an Schiebern aus einer gelenkigen Verbindung
in Form eines Achszapfens 17 mit einer Rotationsachse C,
der zwischen dem Satz an Schiebern 1a, 1b, 1c und
den beiden Steuerarmen 7 vorgesehen ist.
-
Darüber hinaus
sollte zu erkennen sein, dass in einer gegenwärtig betrachteten, optimalen
Ausführungsform
des Motors eine bestimmte Relation zwischen der Dicke t jedes Schiebers,
dem Abstand zwischen der Achse C und der Achse B und der Exzentrizität des Rotors 2 in
Bezug auf das Gehäuse 5 besteht,
d. h. dem Abstand zwischen der Achse A und B. Dies ist notwendig,
damit die Schieberenden 1bt mit einem vorbestimmten Abstand
und einem minimalen Spiel der inneren Oberfläche 20 des Gehäuses 5 folgen
können.
Darüber
hinaus müssen
die Oberflächen
der Schieberenden 1bt so gekrümmt sein, dass die Oberfläche mit
kleinem Spiel der inneren Oberfläche 20 des
Gehäuses 5 kontinuierlich folgt
oder diese berührt.
Der Berührungspunkt
aber verschiebt sich entlang der gekrümmten Oberfläche des
Schieberendes 1bt und führt
eine Art Pendelbewegung auf der inneren Oberfläche 20 aus. Um dies entsprechend
darzustellen, hat die Oberfläche
der Schieberenden 1bt einen Krümmungsmittelpunkt in der Achse
C, über
die der Schieber 1b mit dem Steuerarm 7 verbunden
ist. Durch eingehende Betrachtung der 19 bis 21 wird
dies leichter verständlich.
Dieselbe Relation wie die oben beschriebene gilt auch für die Verdichterschieber 1a und 1c mit
ihren eigenen Dicken, separaten Abständen und Krümmungen der Schieberenden.
-
Die
Oberflächen
der Schieberenden könnten mit
einem geeigneten Dichtmittel zum Angreifen an der inneren Oberfläche 20 des
Gehäuses 5 versehen sein.
Am meisten ist jedoch bevorzugt, dass zwischen diesen Oberflächen kein
Kontakt auftritt, und somit kann eine geeignete Lösung Labyrinthdichtungen
an der Oberfläche
der Schieberenden umfassen, die soweit wie nötig vorgesehen und entsprechend konstruiert
sind.
-
15 zeigt
den oberen Teil 2a des Rotors 2, der die Nabe
für die
Leistungsabgabe bildet, während
in 16 dasselbe Teil umgedreht gezeigt ist, so dass
man den inneren Hohlraum und die Führungsschlitze 11a,
in denen die oberen Verdichterschieber 1a radial nach innen
und außen
gleiten, sehen kann.
-
17 zeigt
den unteren Teil 2b des Rotors 2 von innen gesehen,
und 18 zeigt dasselbe Teil von außen gesehen und mit den jeweiligen
Gleitschlitzen 11b für
die Verbrennungsmotorschieber 1b und Gfeitschlitzen 11c für die Schieber 1c an
der unteren Verdichtereinheit.
-
Nun
erfolgt die Beschreibung des Betriebs des Motors mit Bezug auf die 4 bis 6.
Wie oben angegeben, zeigt die dargestellte Ausführungsform der Erfindung einen
Verbrennungsmotor mit einer Verdichtereinheit an jeder Seite. Der
Rotor 2 dreht sich um seine Mittelachse A in der Richtung,
die in 4 durch den Pfeil R angegeben ist. Bei Drehung
des Rotors 2 zieht der Verdichterschieber 1a, der
in der Verdichterkammer 9b läuft, ein Kraftstoff/Luft-Gemisch
durch den Kanal 3 in die Kammer 9b. Die Ansaugperiode
beginnt, wenn der Schieber 1a am Einlass des Kanals 3,
der in die Kammer 9b führt,
vorbeiläuft,
und sie hält
an, bis der nächste Schieber
an diesem Einlass vorbeiläuft.
Die Seite des Verdichterschiebers 1a, die dem Drehsinn
entgegengerichtet ist, bildet die Saugseite des Verdichters, während diejenige
Seite, die in Drehrichtung blickt, die Druckseite bildet. Dies impliziert,
dass bei einem Vorbeilaufen der Verdichterschieber 1a am
Einlass der Kanäle 3 in
die Kammer 9a die Druckseite des Verdichterschiebers 1a mit
ihrer Kompressionsarbeit beginnt, während die entgegengesetzte
Seite mit ihrer Ansaugarbeit beginnt. Weil die Kammer 9a schmäler wird,
dahingehend, dass die innere Oberfläche 20 des Gehäuses in
Richtung zur peripheren Oberfläche 21 des
Rotors hin läuft,
wird in bekannter Weise ein Kompressionsvorgang erzielt, wenn sich die
Schieber 1a in der Kammer 9a verlagern.
-
Darüber hinaus
sind Kanäle
zwischen der Verdichterkammer 9a und der Verbrennungskammer 9b in
der Verbrennungsmotoreinheit vorgesehen, und zwar angrenzend an
die Verdichtereinheit in der nächsten „Schicht", wie in den 5 und 6 offenbart
ist. Jeder Kanal erstreckt sich vom schmälsten Teil der Verdichterkammer 9a und
mündet
in die Verbrennungskammer 9b, wo die Kammer breiter zu werden
beginnt, und bildet zusammen mit den Schiebern 1b eine
Expansionskammer. Der Kanal oder die Kanäle kann/können sich an geeigneten Stellen
befinden, wie z. B. im Körper
des Motorgehäuses 5 oder im
Rotor, wobei die Rotorschieber 1a, 1b als Ventile zum
Einlass des Kraftstoffgemischs zum korrekten Zeitpunkt dienen. In 6 ist
der Auslass des Kanals von der unteren Kompressionskammer 9c in
die Verbrennungskammer 9b mit der Bezugszahl 12 bezeichnet.
Ein entsprechender Auslass ist durch das Gehäuse 5 von der oberen
Kompressionskammer 9a kommend vorgesehen, was jedoch in
den Zeichnungen nicht gezeigt ist. Die Auslässe stehen jedoch mit kleineren
Aussparungen 18 im Rotor 2 für eine unverzügliche Druckübertragung
von der Kompressionskammer 9a zur Verbrennungskammer 9b in
Verbindung. Somit wirken die Auslässe 12 und die Aussparungen
wie Ventile in Bezug aufeinander.
-
Das
Kraftstoffgemisch wird ungefähr
in dem Bereich gezündet,
in dem die Aussparung 18 in 6 liegt,
wobei die Zündung
auftritt, wenn sich der Schieber 1b dieser Stelle nähert. Wenn
der Rotor 2 und die Schieber 1b einen bestimmten
Kreisbogen entsprechend der Expansionsphase durchlaufen haben, liegt
der Abgaskanal 4 frei und das Abgas wird an die Umgebung
abgegeben.
-
Zu
beachten ist, dass das Kraftstoff/Luft-Gemisch der Verbrennungsmotoreinheit
von beiden Seiten zugeführt
wird, also sowohl von der oberen als auch unteren Verdichtereinheit.
Bei weiteren Ausführungsformen
könnte
auch nur eine Verdichtereinheit vorgesehen sein, eine externe Verdichtereinheit, oder
sie könnte
auch vollständig
weggelassen sein. Die Anzahl an Schiebersätzen kann entsprechend dem
variieren, was für
die jeweilige Anwendung als geeignet angesehen wird.
-
19 zeigt
eine Ausführung
des Verdichters der vorliegenden Erfindung mit vier Schiebern. Wie
in der eben beschriebenen Ausführungsform umfasst
diese ein schematisch dargestelltes Gehäuse 5, einen Rotor 2,
aber vier Schieber 1, die sich in Gleitschlitzen 11 radial
nach außen
und innen bewegen, die im Rotor 2 ausgespart sind. Das
Gehäuse 5 hat einen
Hohlraum 9 mit seinem Mittelpunkt in der Achse B und eine
innere Oberfläche 20,
welche die Endoberflächen
der Schieber 1 fast berühren.
-
Der
Rotor 2 hat eine äußere, periphere
Oberfläche 21 und
dreht sich um die Rotorachse A. Zwischen der Position C und D ist
die innere Oberfläche 20 des
Gehäuses 5 beschrieben
als ein Zylinderoberflächensektor,
der im Wesentlichen einem Sektor der peripheren Oberfläche 21 des
Rotors 2 entspricht. Folglich lässt sich die komplette innere
Oberfläche des
Gehäuses
beschreiben, als wäre
sie aus zwei unvollständigen
Zylinderoberflächen – oder Zylinderoberflächensektoren – beschrieben,
deren Mittelachsen nicht zusammenfallen und bei denen die kleinere
Zylinderoberfläche
in die größere Zylinderoberfläche über einen
vorbestimmten Zylindersektor einschneidet.
-
An
den Stellen (C und D), an denen sich die beiden Zylinderoberflächen schneiden,
sind eine Art Ventile gebildet, die einen Rückstrom von Gasen wirksam unterbinden.
Optional können
im Gehäuse 5 Labyrinthdichtungen
in dem Bereich bei C und D, eventuell auch im Gesamtbereich zwischen
C und D, vorgesehen sein. Der Abstand zwischen C und D kann für die jeweilige
Anwendung der Maschine variiert oder optimiert werden. Wenn der
Abstand zwischen C und D Null beträgt, dann ist die innere Oberfläche des
Gehäuses 5 zylindrisch
und die periphere Oberfläche 21 des
Rotors 2 berührt
entlang einer Linie an der Stelle CD die innere Oberfläche 20.
-
Bei
Drehung des Rotors 2 in Richtung des Pfeils R wird Luft
durch den Einlasskanal I angesaugt. Der nächstfolgende Schieber 1 führt die
eingesaugte Luft mit sich und beginnt mit der Verdichtungsarbeit,
wenn der Schieber 1 an seiner untersten Position (die Sechs-Uhr-Position
in 19) vorbeiläuft.
Die Luft wird gegen den Auslasskanal U durch die weitere Bewegung
des Schiebers 1 in Richtung auf die oberste Position (Zwölf-Uhr-Position
in 19) komprimiert.
-
20 zeigt
eine einfache Rotationsmaschine mit vier Schiebern, hier in Form
einer reinen Pumpe oder eines reinen Verdichters. Die Maschine ist dem
zuvor mit Bezug auf 19 beschriebenen Verdichter
sehr ähnlich.
Nur sind es hier die Exzentrizität und
die sich schneidenden Kreise (Zylinderoberflächen), die hier deutlicher
zutage treten. Der Rotor 2 bewegt sich in der Richtung
des Pfeils R. Luft wird durch den Einlasskanal I angesaugt. Die
Luft wird von den Schiebern angesaugt und mitgenommen, und wird
durch den Auslass U wieder ausgestoßen.
-
21 zeigt
eine Rotationsmaschine mit einem Schieber, hier in Form einer Pumpe
oder Verdichtereinheit, wobei auch optionale Dichtmittel 23 und
Lager 22 dargestellt sind. Die Dichtmittel können reine
Abstreifdichtungen oder Labyrinthdichtungen sein. Das Lager 22 kann
ein Einsatz aus einem geeigneten Lagermaterial wie Weißmetall
oder Bronze sein, möglicherweise
aus Teflon für
einige Anwendungen. Das Ende des Schiebers kann auch mit einer Dichtung 24 versehen
sein, die die innere Oberfläche 20' des Gehäuses berührt oder
an ihr entlang schleift. Zwischen dem Einlass I und dem Auslass
U ist vorteilhafterweise eine Dichtung 28 vorgesehen, vorzugsweise
eine Labyrinthdichtung.
-
Eine
Rotationsmaschine mit einem Schieber benötigt Gegengewichte (nicht gezeigt),
um Massenkräfte
auszugleichen. In dieser 21 sind
insbesondere die geometrischen Verhältnisse dargestellt, die für eine optimale
Maschine gelten. Eine optimale Maschine ist definiert als eine Maschine
mit möglichst
wenigen notwendigen Schleif- bzw. Anlagedichtungen; vorzugsweise
sind Kontaktdichtungen völlig
weggelassen. Berührungsfreie
Dichtungen wie Labyrinthdichtungen sind jedoch annehmbar.
-
Jedes
Schieberende beschreibt einen Zylinderoberflächensektor mit einer bestimmten
Bogenlänge
und einer bestimmten Krümmung,
die auf der Basis von geometrischen Beziehungen bestimmt sind. Der
Krümmungsradius
R4 des Schieberendes ist bestimmt durch den Abstand von der Achse
C zur inneren Oberfläche 20' des Gehäuses 5.
Die Dicke t des Schiebers, und somit die Bogenlänge der Zylinderoberfläche, ist
bestimmt durch den Abstand zwischen der Mittelachse B und der Achse
C, entsprechend dem Drehradius R3 für die Achse C, und dem Abstand
d zwischen der Rotorachse A und der Mittelachse B.
-
Wie
aus der Figur hervorgeht (siehe auch den gestrichelt dargestellten
Schieber in der nach unten zeigenden Position), führt die
Spitze des Schiebers eine „Roll-
oder Pendelbewegung" gegenüber der
inneren Oberfläche 20' des Gehäuses 5 während seiner
Umdrehung mit dem Rotor 2 aus. Mit einer halben Umdrehung
des Rotors 2 hat das Schieberende eine Rollbewegung zwischen
den äußersten
Rändern
des Bogens ausgeführt.
So pendelt also das Schieberende während einer Umdrehung des Rotors vor
und zurück.
Der Schieber kann in seiner Dicke t per se dicker ausgelegt sein
als der Optimalwert, ohne dass dies von besonderer Bedeutung wäre. Wenn
er jedoch dünner
ist, steht das Ende des Schiebers nicht mehr zu jedem Zeitpunkt
in Berührung
mit der inneren Oberfläche 20' während einer Umdrehung
des Rotors, und dementsprechend stellt sich ein Abstand und ein
Spalt zwischen der Oberfläche 20' und dem Schieberende
ein.
-
In 22 ist
der exzentrische Adapter 6 näher gezeigt. Der exzentrische
Adapter 6 ist an der Achswelle 8 über eine
Passfeder 25 drehfest befestigt. Der Adapter 6 besitzt
mit Bezug auf die Mittelachse B eine Exzentrizität, sowie einen zylindrischen Lagerstift 26,
der ein Lager 27 trägt,
welches exzentrisch in Bezug auf die Mittelachse B angeordnet ist, jedoch
mittig in Bezug auf die Rotorachse A. Das Lager 27 stabilisiert
die Achswelle 8 an deren freiem Ende, und bietet zusätzlich einen
internen Halt für den
oberen Rotorteil 2a. Das Lager ist dementsprechend konzentrisch
mit Bezug auf das obere, externe Lager 14 angeordnet und
ein entsprechendes Lager (nicht gezeigt) am entgegengesetzten Ende
des Rotors 2 haltert den Rotorteil 2b. Diese Exzentrizität sorgt
für die
Zwangsbewegung der Schieber 1 über die Steuerarme 7.