DE9412917U1

DE9412917U1 - Drehkolben-Arbeitsmaschine

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Publication number: DE9412917U1
Application number: DE9412917U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-10
Filing date: 1994-08-10
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2004-08-11
Also published as: DE4428341A1

Description

Drehkolben-Arbeitsmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolben-Arbeitsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Drehkolben-Arbeitsmaschine ist beispielsweise aus der EP 034 958 ("S.N.E.C.M.A.") bekannt. Die Vorteile einer solchen Drehkolben-Arbeitsmaschine insbesondere gegenüber Hubkolben-Verbrennungsmotoren sind hinlänglich bekannt und ergeben sich in erster Linie aus der Tatsache, daß aufgrund des Vorliegens von im wesentlichen lediglich rotierender Teile Massenkräfte und -momente höherer Ordnungen fehlen. Diesen Vorteilen stehen allerdings auch gravierende Nachteile gegenüber. Drehkolben-Arbeitsmaschinen beruhen, wie auch Hubkolbenmaschinen oder Rotationskolbenmaschinen vom Wankelprinzip auf einem Kompressionstakt, der zu schwierigen Abdichtproblemen und dadurch zu Leistungsverlusten führt. Eine zufriedenstellende Lösung dieser Abdichtprobleme ist bisher nicht bekannt. Darüber hinaus ist bei der bekannten Drehkolben-Arbeitsmaschine aufgrund der den Arbeitskolben zugeordneten Tragarme der bauliche Aufwand sehr hoch, außerdem ist die Bewegungsmöglichkeit, das heißt das erzielbare Verdichtungverhältnis zu sehr eingeschränkt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolben-Arbeitsmaschine der gattungsbildenden Art derart weiter zu verbessern, daß bei zufriedenstellenden Verdichtungsverhältnissen eine absolute Abdichtung der Kompressionsund Brennräume auch bei hohen Arbeitsdrücken mit einfachsten Mitteln bewerkstelligt und gewährleistet werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Drehkolben-Arbeitsmaschine durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

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Die Lösung beinhaltet, daß die Kolbenträger als kreisrunde, flache Scheiben ausgebildet sind, auf denen die Arbeitskolben befestigt oder mit diesen einteilig hergestellt sind, und die mit einer der Querschnittsform des Zylinderraumes entsprechenden Wölbung ihrer Umfangsfläche ausgestattet sind. Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, daß die Scheiben als eine (mit Ausnahme der Stellen, an denen die Kolben an den Scheiben befestigt sind) ununterbrochene Umfangsfläche ausweisende Teile verhältnismäßig einfach herstellbar sind und eine absolute Dichtheit mit billigen, im wesentlichen handelsüblichen Mitteln, deren Einsatz im übrigen auch eine dauerhafte Betriebssicherheit gestatten, erreicht wird.

Für die Abdichtung der Arbeitskolben gegenüber dem Zylinder werden übliche im Handel erhältliche Kolbenringe eingesetzt, die bezüglich der Motorhauptachse genau radial ausgerichtet auf den Arbeitskolben angeordnet sind. Bevorzugt wird eine Kolbenringart mit konischen oder balligen Laufflächenformen, die der Bogenform (Krümmung des Zylinders) der Zylinderwand entsprechen und daher auf der Zylinderwand mehr flächenhaft aufliegen als solche mit rein zylindrischen Laufflächenformen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die die Kolbenträger bildenden Scheiben in Richtung radial zur Motorhauptachse gegeneinander und gegenüber den angrenzenden stehenden Gehäusewandungen vermittels formschlüssig ineinandergreifender Mittel abgedichtet, um so das Durchblasen von Luft und Verbrennungsgasen zu verhindern. Dichtelemente mit besonders hoher Wirksamkeit im Sinne von möglichst störungsfrei arbeitenden und hohe Gebrauchsdauer erreichenden Kolbenträgern sind verschleißlos arbeitende berührungslose Dichtungen wie insbesondere Labyrinthdichtungen, federnde Dichtringe aus Metall, oder Spaltdichtungen mit Fettrillen, bzw. eine

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Anordnung von Spalt, Labyrinthrillen zum Druckabbau und beweglichem Schleifring in Axialnut (radial bzw. am Anfang geschlossen) als zusätzliches Labyrinth.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die mit dem steuergehäuseseitigen Kolbenträger verbundene erste Welle als Hohlwelle ausgebildet und über ein Festlager gegen das Motorgehäuse abgestützt, und die mit dem motorstirnseitigen Kolbenträger verbundene zweite Welle über ein axial federbelastetes Loslager unter einer vorbestimmten Spannung gegen die Hohlwelle bzw. den einen Kolbenträger zur Ausbildung eines definierten Spaltes zwischen den beiden Kolbenträgern gelagert, wobei die beiden Kolbenträger mittels eines Axiallagers relativ zueinander verdrehbar gegeneinander abgestützt sind. In weiterhin bevorzugter Weise ist die zweite Welle in einem über ein das Loslager bildendes Radiallager und ein durch eine gegen das Motorgehäuse abgestützte tellerfederbelastetes Axiallager gelagert. Durch eine Kombination eines Festlagers mit einem Axiallager zwischen den Scheiben und einem vorgespannten kombinierten Axial-Radial-Lager wird eine exakte Spalteinstellung zwischen den Scheiben und zum stehenden Gehäuse und somit eine definierte Dichtspalte zwischen dem Verbrennungsraum bzw. der Ringkammer und den Antrieben gewährleistet. Durch die definierte Spalte ist des weiteren auch eine gezielte Verlustschmierung für die Abdichtungen und die Arbeitskolben gegeben.

Weitere Einzelheiten, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung.

Es zeigt:

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Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt einer Drehkolben-Arbeitsmaschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Arbeitskolben entlang der Schnittlinie II-II gemäß Fig. 1; und

Fig. 3 bis 5 Ausführungformen der Erfindung in vergrößerten Teildarstellungen der Einzelheit III des Längsschnittes aus Fig. 1.

Eine in der Zeichnung schematisch dargestellte Drehkolben-Arbeitsmaschine besteht aus vier paarweise in einem ringförmigen, mit im Abstand voneinander angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen 1, 2 versehenen Zylinderraum 3 beweglichen, eine dem Zylinderraum 3 angepaßte Raumform aufweisenden Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a, die an zwei um eine gemeinsame Motorhauptachse 6 dreh- und relativ zueinander beweglichen, insbesondere scheibenförmigen Kolbenträgern 7 und 8 befestigt oder mit diesen einstückig hergestellt sind, wobei die Arbeitskolben 4 und 4a am Kolbenträger 7, und die Arbeitskolben 5 und 5a am Kolbenträger 8 angeordnet sind. Den beiden Kolbenträgern 7 und 8 ist eine nicht näher dargestellte mechanische Zwangssteuerung zugeordnet, welche jedem der Kolbenträger 7 und 8 jeweils periodische Geschwindigkeitsänderungen in ihrer Umlaufbewegung aufzwingt. Auf diese Weise wird zur Bildung eines Verdichtungsraumes 9 einem oder mehreren definierten Bereichen des ringförmigen Zylinderraumes 3 eine Äbbremsung bzw. Stillstand des einen Kolbenträgers und eine Nachlaufbewegung des anderen Kolbenträgers, und zur Bildung eines Expansionsraumes 10 eine anschließende Weiterbewegung des einen Kolbenträgers und eine erneute Nachlaufbewegung des anderen Kolbenträgers zugeordnet. Die Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a sind mittels in Fig. 1 lediglich angedeuteten Befestigungsschrauben 11 bzw. 12 an den Kolbenträgern 7 bzw. 8 derart befestigt, daß jede

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Schraubenachse senkrecht zur zugehörenden Umfangsfläche des Kolbenträgers und durch den Schwerpunkt 13 bzw. 14 der Arbeitskolben verläuft. Bei einer weiteren, nicht näher dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Arbeitskolben über an den Kolbenträgern angeordneten, radial gerichteten und mit einer komplementären Ausnehmung im Kolbenkörper im formschlüssigen Eingriff stehender Mittel starr an den jeweiligen Kolbenträger gefesselt ist.

Der ringförmige Zylinderraum 3, in welchem sich die Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a bewegen, weist zweckmäßigerweise eine kreisrunde Querschnittsform auf, wobei die Kolbenboden 15 der Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a eine der Form des Zylinderraumes 3 entsprechende Form besitzen, und die Arbeitskolben vorteilhafterweise, aber nicht notwendigerweise als in Längsrichtung gekrümmte Zylinderabschnitte ausgebildet sind. Erfindungsgemäß sind die Kolbenträger 7, 8 als kreisrunde, flache Scheiben ausgebildet, deren Wölbung ihrer Umfangsfläche 16 der Querschnittsform des Zylinderraums 3 entsprechend bogenförmig ausgebildet ist.

Gemäß Fig. 1 und 2 ist zu erkennen, daß die Arbeitskolben mit ihren Kolbenboden dicht auf der Umfangsfläche 16 der Kolbenträger 7, 8 aufliegend angeordnet sind, wobei die dargestellten Spaltmaße Sl, S2, S3, S4 die vorgesehenen Einbauspiele der Kolbenkörper darstellen, um {gegebenenfalls unterschiedlichen) Wärmedehnungen Rechnung zu tragen. Dies bedeutet, daß die Werte Sl, S2, S3, S4 in Abhängigkeit von den gewählten Werkstoffen und Kühl- bzw. Temperaturverhältnissen gleich oder jeweils unterschiedlich sein können. In jedem Fall übernehmen die radial breit und in Bewegungsrichtung dünn ausgeführten Kolbenringe 17 allein die Führungs- und Dichtungsfunktion. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß für die Abdichtung der bevorzugt

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kreisförmigen Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a (im Radialschnitt) übliche im Handel erhältliche und von daher auch hohen Entwicklungsstandard aufweisende Kolbenringe 17 verwendet werden können.
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Gemäß Fig. 1 sind die beiden je einen Kolbenträger 7, 8 bildenden Scheiben an jeweils einer von zwei ineinanderliegenden Hohlwellen 18, 21 angeschlossen, wobei die zentrale Welle 20 die Abtriebswelle des Motors darstellt. In bevorzugter Weise ist die Lagerung der Kolbenträger derart vorgesehen, daß der motorstirnseitige Kolbenträger 8 samt der an ihm angeschlossenen Hohlwelle 21 vermittels eines das Loslager bildenden Radiallagers 25 und der steuergehäuseseitige Kolbenträger 7 samt der an ihn angeschlossenen Hohlwelle 18 mittels eines Festlagers 19 am Motorgehäuse gelagert sind und gegeneinander mittels eines Axiallagers 23 relativ zueinander verdrehbar abgestützt sind. Der Einstellung des axialen Lagerspieles aller drei Lager dient ein an der außenliegenden Seite des motorstirnseitigen Kolbenträgers 8 anliegendes und in axialer Richtung federbelastetes Axiallager 23a, wobei die Federbelastung dieses Axiallagers durch eine ihrerseits gegen das Motorgehäuse abgestützte Tellerfeder 24 aufgebracht wird. Die beiden Axiallager und deren Spieleinstellung in axialer Richtung dienen auch zur Einstellung und Aufrechterhaltung einer gewünschten oder notwendigen Spaltbreite eines definierten Spaltes 22 zwischen den beiden scheibenförmigen Kolbenträgern 7 und 8. Die Spaltbreite zwischen den Außenflächen der beiden Kolbenträger 7 und 8 und den benachbarten Motorgehäuseflächen wird gleichfalls durch das am motorstirnseitigen Kolbenträger anliegende und in axialer Richtung federbelastete Axiallager 23a eingestellt und aufrechterhalten, wobei dann die Federbelastung durch die Tellerfeder 24 zusätzlich auch noch für die Einhaltung bzw.

Begrenzung des axialen Lagerspiels von Loslager und Festlager ausreicht.

Gemäß den in Fig. 3 bis 5 dargestellten Aus f ührungs formen der Erfindung sind verschiedene Varianten zur Abdichtung der schexbenförmigen Kolbenträger 7, 8 gegeneinander und gegenüber dem stehenden Gehäuse dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist ein beweglicher Schleifring 26 vorzugsweise aus einem anderen Werkstoff als das Material der Scheiben (z.B.

Stahl bei Aluminium-Gehäusen) vorgesehen, der in einer Axialnut 27 eingepaßt ist. Zur weiteren Abdichtung des Spaltes zwischen den Kolbenträgern 7, 8 ist an einer Stelle zwischen dem Schleifring 26 und der Umfangs fläche 16 ein mit einem bestimmten Radius um die Motorhauptachse verlaufender Dichtspalt 28 vorgesehen.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 4 ist eine Anordnung von ineinander formschlüssig eingreifenden Mitteln 29, 30 vorgesehen. Bei der Aus f ührungs form gemäß Fig. 5 sind Labyrinthrillen 31 in den Kolbenträgern 7, 8 und ein entsprechend geformter, beweglicher Schleifring 32 vorgesehen.

Bezüglich weiterer Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Einlaß- und Auslaßöffnungen 1, 2, der Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a und Wirkungsweise der Ansaug- und Ausstoß takte der vorliegenden Drehkolben-Arbeits- bzw. Kraftmaschine wird auf die am gleichen Anmeldetag unter dem Titel "Drehkolben-Kraftmaschine" eingereichte Patentanmeldung Bezug genommen und vollinhaltlich verwiesen.

Bezüglich weiterer Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkexten der Befestigung der Arbeitskolben 4, 4a, 5, 5a auf den Kolbenträgern 7 und 8 und Kühlung der Arbeitskolben wird auf die am gleichen Anmeldetag unter dem Titel "Kolbenkühlung für

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eine Drehkolben-Arbeitsmaschine" eingereichte Patentanmeldung Bezug genommen und vollinhaltlich verwiesen.

Bezüglich weiterer Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Drehkolben-Arbeitsmaschine und deren Kühlung wird auf die am gleichen Anmeldetag unter dem Titel "Kühlmittelmantel für eine Drehkolben-Arbeitsmaschine'¹ eingereichte Patentanmeldung Bezug genommen und vollinhaltlich verwiesen.

Claims

•preh&*£l£>en-Arbeitsmas chine sprüche

1. Drehkolben-Arbeitsmaschine mit einer geraden Anzahl, also wenigstens zwei in einem ringförmigen, mit im Abstand voneinander angeordneten Ein- und Auslaßöffnungen (1, 2) versehenen Zylinderraum (3) beweglichen Arbeitskolben (4, 4a, 5, 5a), die an je einen von wenigstens zwei um eine gemeinsame Motorhauptachse (6) dreh- und relativ zueinander beweglichen Kolbenträgern angeordnet sind, wobei den beiden Kolbenträgern (7, 8) mittels einer mechanischen Zwangssteuerung jeweils Umlaufbewegungen mit periodischer Geschwindigkeitsänderung aufgezwungen werden, derart, daß zwecks Bildung eines Verdichtungsraumes (9) einer einem oder mehreren definierten Punkten des ringförmigen Zylinderraumes (3) zugeordneten Abbremsung bzw. einem Stillstand des einen Kolbenträgers eine Nachlaufbewegung des anderen Kolbenträgers und einer zwecks Bildung eines Expansionsraumes (10) anschließenden Weiterbewegung des einen Kolbenträgers eine erneute Nachlaufbewegung des anderen Kolbenträgers zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Kolbenträger {7, 8) als kreisrunde, flache Scheiben ausgebildet sind, auf denen die Arbeitskolben (4, 4a, 5, 5a) befestigt oder mit diesen einteilig hergestellt sind, und die mit einer der Querschnitts form des ZyI Inder raumes (3) entsprechenden Wölbung ihrer Umfangsfläche (16) ausgestattet sind.

2. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitskolben (4, 4a, 5, 5a) gegenüber dem Zylinder vermittels üblicher Kolbenringe (17) abgedichtet sind.

3. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Umfangsflächen (16) der die Kolbenträger (7, 8) bildenden Scheiben jeweils einen Teil der Zylinderwandung bilden und über den gesamten Scheibenumfang mit Ausnahme der Kolbenbefestigungen an den Scheiben hin gleichförmig ausgebildet sind.

4. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kolbenträger (7, 8) bildenden Scheiben in radialer Richtung gegeneinander und gegenüber den angrenzenden Gehäusewandungen vermittels formschlüssig ineinandergreifender Mittel (29, 30) abgedichtet sind.

5. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abdichtung der die Kolbenträger (7, 8) bildenden Scheiben in radialer Richtung Dichtringe {26, 32) zugeordnet sind.

6. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem steuergehäuseseitigen Kolbenträger (7) verbundene erste Welle als Hohlwelle (18) ausgebildet und über ein Festlager (19) gegen das Motorgehäuse abgestützt ist und die mit dem motorstirnseitigen Kolbenträger (8) verbundene zweite Welle

(21) über ein axial federbelastetes Loslager unter einer vorbestimmten Spannung gegen den einen Kolbenträger (7) zur Ausbildung eines definierten Spaltes (22) zwischen den beiden Kolbenträgern (7, 8) gelagert ist, wobei die beiden Kolbenträger mittels eines Axiallagers relativ zueinander verdrehbar gegeneinander abgestützt sind.

7. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Welle (21) in einem über ein das

Loslager bildendes Radiallager und ein durch eine gegen das Motorgehäuse abgestützte Tellerfeder belastetes Axiallager gelagert ist.

8. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem motorseitigen Kolbenträger (8) verbundene erste Welle über ein Festlager gegen das Motorgehäuse abgestützt ist und die mit dem gehäuseseitigen Kolbenträger (7) verbundene zweite Welle über ein axial federbelastetes Loslager unter einer vorbestimmten Spannung gegen den einen Kolbenträger (S) zur Ausbildung eines definierten Spaltes (22) zwischen den beiden Kolbenträgern (7, 8) gelagert ist, wobei die beiden Kolbenträger mittels eines Axiallagers relativ zueinander verdrehbar gegeneinander abgestützt sind.

9. Drehkolben-Arbeitsmaschine nach Anspruch 8, dadurch

gekennzeichnet, daß die zweite Welle in einem über ein das Loslager bildendes Radiallager und ein durch eine gegen das Motorgehäuse abgestützte Tellerfeder belastetes Axiallager gelagert ist.