EP0088288A1 - Innenachsige Rotationskolbenmaschine - Google Patents

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EP0088288A1
EP0088288A1 EP83101744A EP83101744A EP0088288A1 EP 0088288 A1 EP0088288 A1 EP 0088288A1 EP 83101744 A EP83101744 A EP 83101744A EP 83101744 A EP83101744 A EP 83101744A EP 0088288 A1 EP0088288 A1 EP 0088288A1
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EP
European Patent Office
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rotor
shut
piston
wall
machine according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP83101744A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Dr. H.C. Wankel
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Application filed by Individual filed Critical Individual
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/02Arrangements of bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/30Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members
    • F01C1/36Rotary-piston machines or engines having the characteristics covered by two or more groups F01C1/02, F01C1/08, F01C1/22, F01C1/24 or having the characteristics covered by one of these groups together with some other type of movement between co-operating members having both the movements defined in sub-groups F01C1/22 and F01C1/24

Definitions

  • the invention relates to an internal-axis crankshaft-less rotary piston machine with a piston rotor, the at least one piston of which moves through a circular annular space with a fixed inner wall and a gap of a shut-off rotor, which blocks the annular space at one point on its circumference.
  • a rotary piston machine of the type mentioned is known from DE-PS 180927 from 1905.
  • the propellant is fed through narrow channels in the side walls of the machine and flows freely outwards via narrow channels in the piston and a rotating closed cylinder.
  • the drive connection between the piston rotor and the shut-off Runner occurs through frictional contact between the two.
  • the present invention is based on the object of finding a machine which is particularly suitable as a driver and loader of an internal combustion engine and which combines the advantages of a turbo machine with those of a rotary piston machine in that it is suitable for high throughput quantities in a small size and is also more efficient than these machines due to lower flow losses and fewer harmful rooms.
  • the solution to this problem is that in the case of a rotary piston machine of the type mentioned at the outset, the inflow channel opens into the annular space via an opening in the fixed inner wall or is arranged adjacent to the shut-off rotor in a fixed radially outer housing wall and that the outflow channel adjoins the shut-off rotor in a fixed radially outer housing wall is provided.
  • the arrangement of the inflow channel in the fixed inner wall of the ring channel is particularly advantageous when the machine is to be used as a loader or compressor, since a centrifugal machine-like flow is achieved through the machine and its ring channel.
  • the feed opening can be made particularly wide in the circumferential direction. In the axial direction, the openings of the channels into the annular channel can correspond at least approximately to the axial length of the pistons. Since the machine can be very long in relation to its diameter in the axial direction, correspondingly long openings can result, so that low flow resistances occur when flowing through the machine.
  • the shut-off rotor has an effective outer diameter which is half the outer diameter of the outer rotor twice the speed of rotation of the gate rotor compared to the piston rotor, so that due to this special kinematics, the two mutually opposite opening edges of the recess provided in the gate rotor can be provided in constant sealing contact with the piston during the passage of a piston. In this way it can be prevented that the propellant or the conveyed medium from the inflow side to the outflow side of the machine or vice versa passes through the cutout or the shut-off rotor.
  • shut-off rotor Due to the so-called inner-axis arrangement of the shut-off rotor relative to the piston runner in accordance with the terminology mentioned in the aforementioned specialist book, a common flow-shaped cross-sectional shape results between the shut-off rotor and the inner wall of the ring channel, which is approximately egg-shaped.
  • a flow-efficient guidance of the propellant or of the conveyed medium through the machine results from the fact that the at least one flow channel provided on the outer housing wall is directed tangentially to the outer circumference of the shut-off rotor and the inner wall of the ring channel.
  • the rotary piston machine according to the invention is designed without a crankshaft, i.e. it is a so-called rotary piston machine instead of a rotary piston machine, and the rotors thus rotate about fixed geometric axes, the rotors can work at very high speeds of rotation, however no suitable means were previously known for the selected inner-axis
  • the bearing of the outer rotor must enclose that of the inner rotor at its two axial ends when the rotor is mounted.
  • this difficulty was circumvented by the fact that the shut-off rotor had no bearings at its two axial ends, ie bearing journals or the like. has, but on one Part of its circumference is enclosed by an arcuate recess in the fixed housing. Accordingly, the drive transmission between the two runners had to be carried out by passing them on to one another with frictional contact.
  • the outer rotor with at least one circularly curved raceway which surrounds the shaft of the shut-off rotor and is supported by a plurality of bearing devices which are spaced apart from one another in the running direction and preferably consist of a roller and which are fixed to a common body are.
  • This common body can be firmly connected to the stationary outer housing and extend into the space enclosed by the raceway, so that it can also serve to support the shaft of the shut-off rotor.
  • the arrangement of the shaft of the shut-off rotor can be provided between them by using individual bearing devices in the circumferential direction.
  • the use of a conventional plain or roller bearing with a diameter corresponding to the mentioned track would not be expedient due to the high sliding or rolling speeds.
  • the use of rollers as bearing devices enables higher rotational speeds with less frictional resistance.
  • the driver with the rotational positions corresponding to the representations according to FIGS. La-lf has a fixed outer housing 1 and a fixed inner housing 2, between which a piston rotor 3 and a shut-off rotor 4 are enclosed.
  • the outer housing 1, the wall of the inner housing 2, the ring channel 5 enclosed between the two and the piston rotor 3 have the same geometric axis, so that the pistons 6, 7 are in sealing contact with the outer and inner housings 1, 2 through the annular space 5 move.
  • the direction of rotation and conveyance is indicated by arrow 8.
  • the medium to be pumped which is air when using the machine as a loader of an internal combustion engine, is via the inner housing 2 from the outside of the machine sucked in via inlet openings 9 and then conveyed radially outward into the annular channel 5 via the opening 10 in the inner wall of the housing in the manner of a centrifugal fan.
  • the lateral arrangement of the inlet openings 9 can be seen from the axial sectional view in FIG. 6, which corresponds both to the exemplary embodiment according to FIGS. 1 a to 11 and to that according to FIG. 5.
  • the opening 10 in the inner wall of the housing extends in the axial direction as much as possible over the largest part of the axial length of the machine, as can be seen in the illustration in FIG. 6, and also has a considerable width in the circumferential direction, starting from the circumference of the shut-off rotor 4 up to a rotational position of the piston 6 as shown in FIG. 1f, in which the diametrically opposed second piston 7 has just passed the outlet channel 12, so that at this moment the compression can begin in the blocked-off part 5a of the annular space.
  • FIGS. 1 a - lf show how the cylindrical peripheral part of the piston rotor 3 opens and closes the outflow channel 12. In the open position, one of the rotor openings 14, 15 arranged in front of the pistons faces the outlet channel 12, as shown in FIG.
  • the piston 7 penetrates into the cutout 16 of the shut-off rotor 4 at the moment when the leading side edge 17 of the cutout loses sealing contact with the concave, circular inner housing wall 18.
  • the piston 7 penetrates into the recess 16 s o that it can not open to the annular space 5 towards.
  • this leading edge 17 of the shut-off rotor 4 slides along the flat front side surface of the piston, while the trailing edge 19 of the recess on the rear flat surface Side surface of the piston slides along.
  • the flat side surfaces of the piston are possible due to the kinematics given by the diameter and speed ratio of 2: 1 between the diameter of the shut-off rotor 4 and the inner diameter of the piston rotor 3, since with a relative rolling movement of the inner circle there is a point in an outer circle of twice the diameter of the inner circle moved on a straight line relative to the outer circle.
  • La-lf the opening edges 17, 19 of the recess 16 of the shut-off rotor 4 are shown with sharp edges, but to reduce the wear of these edges they are advantageously rounded, for example in accordance with the exemplary embodiments of FIGS. 7 and 8 is the center of the rounding of these edges 17 1 , 19 ', 17 ", 19" at the intersection between the pitch circle 20 and an equidistant 21 at a distance from the radius of curvature to the piston side surface 22.
  • the gap between the edges 17, 19 of the cutout 16 of the gate valve corresponds to a tooth gap of a ring gear for the engagement of the teeth or the pistons of the piston rotor comparable to a hollow gear.
  • a cutout would in itself be sufficient, which is precisely adapted to the size of the piston and the required movement space of the piston, like the cutout 16 shown in the exemplary embodiment in FIGS however, is only in the flat side walls of the gate valve, of which only the side wall 23 is visible in the illustrations.
  • the shut-off rotor is provided with an escape space 25. In the illustrated embodiment, this has a maximum size in that the shut-off rotor is designed as a hollow cylinder.
  • FIG. 5 shows a special form of drive transmission between a piston rotor 3 'and a shut-off rotor 4', in that the circular-cylindrical wall of the piston rotor is provided with an internal toothing 27 and the shut-off rotor 4 'with an external toothing 28, of which to simplify the illustration in FIG Fig. 5 only one arc area is shown. In the engagement area, the meshing results in a labyrinth-like seal between the two runners.
  • the machine according to FIG. 5 as a loader can be directly coupled to the machine according to FIG. 2 as a driver of an internal combustion engine, in that the shut-off rotor and the piston rotor are rigidly connected to one another.
  • a drive transmission between the piston rotor and the shut-off rotor can also take place directly by the engagement of the pistons in the cutouts (tooth gaps) of the shut-off rotor if the piston rotor is provided with eight pistons and the shut-off rotor is provided with four recesses.
  • 3 shows a piston rotor with four on the embodiment of a driver Pistons 30-33 and a shut-off valve with two recesses 34, 35.
  • the inflow channel 36 and the outflow channel 37 are for the driving medium, e.g. the exhaust gas of an internal combustion engine, arranged tangentially on the outer housing 38 on both sides of the shut-off rotor 39, in such a way that the inflow and outflow occur tangentially to the outer surface of the shut-off rotor 39 and to the circular-cylindrical inner wall 40 of the housing, as indicated by the broken lines 41, 42 in FIG. 2 is.
  • the ring channel 44 for driving the pistons 45, 46 of the piston rotor.
  • the shut-off rotor 39 has a somewhat larger diameter than half the inner diameter of the housing outer wall 38, so that the shut-off rotor is in contact with the housing along an arcuate line 48 and there is a larger sealing surface between the two. Nevertheless, a diameter ratio of 2: 1 is achieved in contact with the piston of the piston rotor, since the contact is made on a correspondingly smaller diameter by rounding the opening edges 50, 51 of the shut-off rotor 39.
  • the piston rotor 3 "has two circular side walls 52, 53, the inner ring surfaces 54, 55 of which form a bearing raceway, which is supported by three rollers 56, 57, 58 and 56 ', 57', 58 ', which are arranged at the same distance from one another in the circumferential direction
  • the bearings or journals 60, 61 of these rollers are held in a housing part 62, 63, which is secured by screws 64, 65 to the housing side plates 66, 67 is bound and extends into the space enclosed by the raceway 54, 55.
  • the shaft 68 of the shut-off rotor can be arranged in the circumferential direction between two of these rollers 57, 58, as shown in the illustration in FIG. 9.
  • the use of the rollers 56-58 for the bearing of the outer rotor also leads to a significantly reduced bearing friction in comparison to conventional roller bearings and thus enables higher speeds of rotation of the rotor.
  • the fixed housing part 62, 63, which receives the rollers 56-58, can also have flow channels 70, 71, 72, through which a connection to the cavity 73 of the inner housing can take place, for example for cooling purposes. 4 and 6, a portion of the intake air of the charger according to FIG. 6 can flow through these channels 70-72 in a manner not shown, which in the main flow via the side supports 74 (FIG. 6 ) is supplied.

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Abstract

Die Rotationskoibenmaschine hat einen in einem kreiszylindrischen Gehäuse (1) umlaufenden Kolbenläufer (3) dessen Kolben (6, 7) sich durch den Ringraum (5) zwischen dem Außengehäuse (1) und dem Innengehäuse (2) bewegen. Die Trennung zwischen den Seiten höheren und niederen Druckes des Ringraumes (5) erfolgt durch einen innenachsig angeordneten Absperrläufer (4). Die Zu- und Abströmöffnungen (10, 12) sind zentrifugalmaschinenähnlich angeordnet, wobei der am Außengehäuse (1) angesetzte Strömungskanal tangential zu der Außenfläche des Absperrläufers (4) und der Wand des Innengehäuses (2) geführt ist. Anschließend an die Aussparung (16) des Absperrläufers (4) ist zur Vermeidung von Quetschrömungen ein Ausweichraum (23) vorgesehen. Dadurch, daß der in Kontakt mit dem Kolben (6) gelangende Teil des Absperrläufers (4) einen Durchmesser hat, der halb so groß ist wie der effektive Außendurchmesser des Kolbenläufers bleibt der Innenraum (23) des Absperrläufers (4) auch beim Durchlauf des Kolbens (6) durch ständigen beidseitigen Kontakt des Absperrläufers mit dem Kolben ständig geschlossen, so daß ein unerwünschter Transport des Arbeitsmittels zwischen Zu- und Abströmseite vermieden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine innenachsige kurbelwellenlose Rotationskolbenmaschine mit einem Kolbenläufer dessen mindestens einer Kolben sich durch einen kreisförmigen Ringraum mit feststehender Innenwand und einer Lücke eines Absperrläufers bewegt, der den Ringraum an einer Stelle seines Umfanges absperrt.
  • Vorschläge für die Konstruktion von Rotationskolbenmaschinen sind in der technischen Literatur in sehr grosser Anzahl vorhanden, die über mehrere Jahrhunderte zurückreicht, jedoch haben in moderner Zeit nur wenige Rotationskolbenmaschinen wie z.B. die "Wankel"-Maschinen oder das "Roots"Gebläse grössere Verbreitung gefunden. Das Fachbuch "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" von Felix Wankel, Deutsche Verlags-Anstalt, Abteilung Fachverlag, Stuttgart, 1963, gibt ohne Anspruch auf Vollständigkeit einen Ueberblick über die Vielfältigkeit der bekannten Konstruktionen und zeigt einen Vorschlag für ihre systematische Einordnung. Die Vor- und Nachteile dieser Maschinen können aufgrund der vorhandenen Literatur nur in Einzelfällen näher beurteilt werden, da die Herstellung von Prototypen mit erheblichem Aufwand verbunden ist. Zahlreiche ältere Konstruktionen erscheinen nur sinnvoll unter Berücksichtigung der damals üblichen Leistungsanforderungen bzw. geringen Bewegungsgeschwindigkeiten z.B. in der Anwendung als Dampfmaschine.
  • Eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art ist durch die DE-PS 180927 aus dem Jahre 1905 bekannt. Das Treibmittel wird durch enge Kanäle in den Seitenwänden der Maschine zugeführt und strömt über enge Kanäle in den Kolben und einem umlaufenden geschlossenen Zylinder frei nach aussen ab. Die Antriebsverbindung zwischen dem Kolbenläufer und dem Absperrläufer erfolgt durch Reibungskontakt zwischen beiden.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine insbesondere als Treiber und Lader einer Verbrennungskraftmaschine geeignete Maschine zu finden, die die Vorteile einer Turbomaschine mit denjenigen einer Rotationskolbenmaschine vereinigt, indem sie bei kleiner Baugrösse für hohe Durchsatzmengen geeignet ist und die ausserdem gegenüber diesen Maschinen einen höheren Wirkungsgrad durch geringere Strömungsverluste und geringere schädliche Räume aufweist. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, dass bei einer Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art der Zuströmkanal über eine Oeffnung in der feststehenden Innenwand in den Ringraum mündet oder angrenzend an den Absperrläufer in einer feststehenden radial äusseren Gehäusewand angeordnet ist und dass der Abströmkanal angrenzend an den Absperrläufer in einer feststehenden radial äusseren Gehäusewand vorgesehen ist.
  • Die Anordnung des Zuströmkanales in der feststehenden Innenwand des Ringkanales ist besonders vorteilhaft wenn die Maschine als Lader oder Kompressor verwendet werden soll, da hierbei eine zentrifugalmaschinenartige Strömung durch die Maschine und ihren Ringkanal erreicht wird. Die Zuführöffnung kann dabei in Umfangsrichtung besonders breit ausgeführt werden. In axialer Richtung können die Oeffnungen der Kanäle in den Ringkanal hinein wenigstens angenähert der axialen Länge der Kolben entsprechen. Da die Maschine im Verhältnis zu ihrem Durchmesser in axialer Richtung sehr lang sein kann, können sich entsprechend lange Oeffnungen ergeben, so dass bei der Durchströmung der Maschine geringe Strömungswiderstände auftreten.
  • Wie an sich durch Fig. 1 der genannten DE-PS 180927 bekannt ist, hat der Absperrläufer einen effektiven Aussendurchmesser der die Hälfte des Aussendurchmessers des Aussenläufers beträgt, bei doppelter Drehgeschwindigkeit des Absperrläufers im Vergleich zum Kolbenläufer, so dass aufgrund dieser besonderen Kinematik die beiden in Umfangsrichtung einander gegenüberstehenden Oeffnungskanten der im Absperrläufer vorgesehenen Aussparung während des Durchlaufens eines Kolbens in ständigem abdichtenden Kontakt mit dem Kolben vorgesehen sein können. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass durch die Aussparung bzw. den Absperrläufer hindurch das Treibmittel oder das gefördete Medium von der Zuströmseite zur Abströmseite der Maschine oder umgekehrt gelangen.
  • Durch die sogenannte innenachsige Anordnung des Absperrläufers relativ zum Kolbenläufer entsprechend der in dem zuvorgenannten Fachbuch genannten Terminologie ergibt sich zwischen dem Absperrläufer und der Innenwand des Ringkanals eine gemeinsame umströmte Querschnittsform, die angenähert eiförmig ist. Eine strömungsgünstige Führung des Treibmittels bzw. des geförderten Mediums durch die Maschine ergibt sich, indem der mindestens eine an der äusseren Gehäusewand vorgesehene Strömungskanal tangential zum Aussenumfang des Absperrläufers und der Innenwand des Ringkanales gerichtet ist.
  • Da die erfindungsgemässe Rotationskolbenmaschine kurbelwellenlos ausgeführt ist, d.h. eine sogenannte Dreh- statt Kreiskolbenmaschine ist und die Läufer sich somit um feststehende geometrische Achsen drehen, können die Läufer an sich mit sehr hohen Drehgeschwindigkeiten arbeiten, jedoch waren bisher keine geeigneten Mittel bekannt, bei der gewählten innenachsigen Bauweise für den Aussenläufer eine hierfür geeignete Lagerung vorzusehen, da bei der Lagerung der Läufer an ihren beiden axialen Enden das Lager des Aussenläufers dasjenige des Innenläufers umschliessen muss. Gemäss dem Stand der Technik entsprechend der DE-PS 180927 wurde diese Schwierigkeit dadurch umgangen, dass der Absperrläufer an seinen beiden axialen Enden keine Lager, d.h. Lagerzapfen o.dgl. aufweist, sondern auf einem Teil seines Umfanges von einer kreisbogenförmigen Ausnehmung des feststehenden Gehäuses eingeschlossen ist. Entsprechend musste auch die Antriebsübertragung zwischen beiden Läufern durch Abwälzung aneinander mit Reibungskontakt erfolgen.
  • Es versteht sich, dass diese Antriebsübertragung durch den möglichen Schlupf nicht genau ist und allenfalls für die damals üblichen Bewegungsgeschwindigkeiten im Dampfmaschinenbetrieb geeignet war. In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen den Aussenläufer mit mindestens einer kreisförmig gekrümmten, die Welle des Absperrläufers umschliessenden Laufbahn zu versehen, die durch mehrere in Laufrichtung einen Abstand voneinander aufweisende, vorzugsweise aus einer Rolle bestehende Lagereinrichtung gelagert ist, die an einem gemeinsamen Körper fixiert sind. Dieser gemeinsame Körper kann mit dem feststehenden Aussengehäuse fest verbunden sein und sich in den von der Laufbahn umschlossenen Raum hineinerstrecken, so dass er auch der Lagerung der Welle das Absperrläufers dienen kann. Die Anordnung der Welle des Absperrläufers kann durch die Verwendung einzelner Lagereinrichtungen in Umfangsrichtung zwischen diesen vorgesehen werden. Die Verwendung eines üblichen Gleit- oder Wälzlagers mit einem Durchmesser entsprechend der genannten Laufbahn wäre aufgrund der hohen Gleit- bzw. Abrollgeschwindigkeiten nicht zweckmässig. Die Verwendung von Rollen als Lagereinrichtungen ermöglicht hingegen höhere Drehgeschwindigkeiten bei geringerem Reibungswiderstand.
  • Weitere Vorteile und Möglichkeiten der Ausgestaltung der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. Es zeigt:
    • Fig. la - lf Radialschnitte durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine als Lader entsprechend mehreren aufeinanderfolgenden Drehpositionen,
    • Fig. 2 einen Radialschnitt durch einen Treiber als zweites Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine,
    • Fig. 3 einen Radialschnitt durch einen Treiber als drittes Ausführungsbeispiel,
    • Fig. 4 einen Axialschnitt durch einen Treiber nach Fig. 3,
    • Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Rotationskolbenmaschine als Treiber,
    • Fig. 6 einen Axialschnitt durch einen Treiber nach Fig. 5,
    • Fig. 7, 8 Radialschnitte im Bereich eines im Eingriff mit einem Kolben befindlichen Absperrläufers zur Darstellung der Kinematik der Eingriffsphase, und
    • Fig. 9 einen Radialschnitt durch einen Treiber im Bereich der Lagerung des Kolbenläufers.
  • Der Treiber mit den Drehpositionen entsprechend den Darstellungen nach Fig. la - lf hat ein feststehendes Aussengehäuse 1 und ein feststehendes Innengehäuse 2, zwischen denen ein Kolbenläufer 3 und ein Absperrläufer 4 eingeschlossen sind. Das Aussengehäuse 1, die Wand des Innengehäuses 2, der zwischen beiden eingeschlossene Ringkanal 5 und der Kolbenläufer 3 haben die gleiche geometrische Achse, so dass die Kolben 6, 7 sich in dichtendem Kontakt mit dem Aussen- und Innengehäuse 1, 2 durch den Ringraum 5 bewegen. Die Dreh- und Förderrichtung ist durch den Pfeil 8 angedeutet.
  • Das zu fördernde Medium, das bei der Verwendung der Maschine als Lader einer Verbrennungskraftmaschine Luft ist, wird über das Innengehäuse 2 von der seitlichen Maschinenaussenseite her über Eintrittsöffnungen 9 angesaugt und dann zentrifugalgebläseartig radial über die Oeffnung 10 in der Gehäuseinnenwand nach aussen in den Ringkanal 5 gefördert. Die seitliche Anordnung der Eintrittsöffnungen 9 ist aus der Axialschnittdarstellung der Fig. 6 sichtlich, die sowohl dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. la - lf als auch demjenigen nach Fig. 5 entspricht.
  • Die Oeffnung 10 in der Gehäuseinnenwand erstreckt sich in axialer Richtung weitmöglichst über den grössten Teil der .axialen Länge der Maschine, wie der Darstellung der Fig. 6 zu entnehmen ist und hat auch in Umfangsrichtung eine erhebliche Breite, beginnend am Umfang des Absperrläufers 4 bis zu einer Drehposition des Kolbens 6 entsprechend der Darstellung in Fig. lf, in der der diametral gegenüberliegend angeordnete zweite Kolben 7 gerade den Austrittskanal 12 passiert hat, so dass in diesem Moment in dem abgesperrten Teil 5a des Ringraumes die Kompression beginnen kann. Die Darstellungen der Fig. la - lf zeigen wie der zylindrische Umfangsteil des Kolbenläufers 3 den Abströmkanal 12 öffnet und schliesst. In geöffneter Position steht jeweils eine der vor den Kolben angeordneten Läuferöffnungen 14, 15 entsprechend der Darstellung in Fig. le dem Austrittskanal 12 gegenüber.
  • Anschliessend an die Drehposition nach Fig. le dringt der Kolben 7 in die Aussparung 16 des Absperrläufers 4 ein und zwar in dem Moment, in dem die vorlaufende Seitenkante 17 der Aussparung den dichtenden Kontakt mit der konkaven, kreisförmigen inneren Gehäusewand 18 verliert. Dabei dringt der Kolben 7 in die Aussparung 16 so ein, dass diese sich nicht zu dem Ringraum 5 hin öffnen kann. Bei der Weiterbewegung des Kolbens 7 gleitet diese vorlaufende Kante 17 des Absperrläufers 4 an der ebenen vorderen Seitenfläche des Kolbens entlang während die nachlaufende Kante 19 der Aussparung an der rückseitigen ebenen Seitenfläche des Kolbens entlanggleitet. Die ebenen Seitenflächen des Kolbens sind aufgrund der durch das Durchmesser-und Drehzahlverhältnis von 2:1 zwischen dem Durchmesser des Absperrläufers 4 und dem Innendurchmesser des Kolbenläufers 3 gegebenen Kinematik möglich, da sich bei einer relativen Abwälzbewegung des Innenkreises in einem Aussenkreis von doppeltem Durchmesser ein Punkt des Innenkreises relativ zum Aussenkreis auf einer Geraden bewegt.
  • In den schematischen Darstellungen der Fig. la - lf sind die Oeffnungskanten 17, 19 der Aussparung 16 des Absperrläufers 4 scharfkantig dargestellt, zur Verringerung des Verschleisses dieser Kanten werden diese jedoch vorteilhaft abgerundet ausgeführt, z.B. entsprechend den Ausführungsbeispielen der Fig. 7 und 8. Dabei befindet sich der Mittelpunkt der Abrundung dieser Kanten 171, 19', 17", 19" im Schnittpunkt zwischen dem Wälzkreis 20 und einer Aequidistanten 21 im Abstand des Rundungsradius zur Kolbenseitenfläche 22. Die Lücke zwischen den Kanten 17, 19 der Aussparung 16 des Absperrläufers entspricht einer Zahnlücke eines Zahnkranzes für den Eingriff der Zähne bzw. der Kolben des einem Hohlzahnrad vergleichbaren Kolbenläufers.
  • Für die Hindurchbewegung des Kolbens durch die Aussparung 16 in dem Absperrläufer würde an sich eine Aussparung ausreichen, die der Grösse des Kolbens und dem erforderlichen Bewegungsraum des Kolbens genau angepasst ist, wie die im Ausführungsbeispiel der Fig. la - lf dargestellte Aussparung 16, die sich jedoch nur in den ebenen Seitenwänden des Absperrläufers befindet, von denen in den Darstellungen nur die Seitenwand 23 sichtbar ist. Zur Vermeidung von Quetschströmungen zwischen der bogenförmigen Begrenzungswand einer Aussparung des Absperrläufers und dem Kolben ist jedoch der Absperrläufer mit einem Ausweichraum 25 versehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat dieser eine maximale Grösse, indem der Absperrläufer als Hohlzylinder gestaltet ist.
  • Dadurch, dass der Eintrittsspalt zwischen den Begrenzungskanten 17, 19 des Absperrläufers selbst bei Durchgang des Kolbens ständig geschlossen bleibt, wird verhindert, dass über diesen Ausweichraum Medium ungenutzt den Absperrläufer 4 passiert. Durch Vermeidung von Quetschströmungen beim Durchlauf der Kolben durch den Absperrläufer ist die Maschine für hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet.
  • Die Fig. 5 zeigt eine besondere Form der Antriebsübertragung zwischen einem Kolbenläufer 3' und einem Absperrläufer 4', indem die kreiszylindrische Wand des Kolbenläufers mit einer Innenverzahnung 27 und der Absperrläufer 4' mit einer Aussenverzahnung 28 versehen ist, von denen zur Vereinfachung der Darstellung in Fig. 5 nur ein Bogenbereich dargestellt ist. Im Eingriffsbereich ergibt sich durch den Zahneingriff gleichzeitig eine labyrinthartige Abdichtung zwischen beiden Läufern.
  • Bei der unmittelbaren oder synchronen Kopplung zwischen zwei Rotationskolbenmaschinen, von denen beispielsweise eine den Treiber und die andere den Lader an einer Verbrennungskraftmaschine bildet, ist es ausreichend, wenn nur bei einer dieser Maschinen eine Antriebsübertragung zwischen dem Kolbenläufer und dem Absperrläufer vorhanden ist. Beispielsweise kann die Maschine nach Fig. 5 als Lader unmittelbar gekoppelt sein mit der Maschine nach Fig. 2 als Treiber einer Verbrennungskraftmaschine, indem die Absperrläufer und die Kolbenläufer starr miteinander verbunden sind.
  • Eine Antriebsübertragung zwischen dem Kolbenläufer und dem Absperrläufer kann auch unmittelbar durch den Eingriff der Kolben in den Aussparungen (Zahnlücken) des Absperrläufers erfolgen, wenn der Kolbenläufer mit acht Kolben und der Absperrläufer mit vier Aussparungen versehen wird. Die Fig. 3 zeigt am Ausführungsbeispiel eines Treibers einen Kolbenläufer mit vier Kolben 30 - 33 und einem Absperrläufer mit zwei Aussparungen 34, 35.
  • Bei der Ausführung der Rotationskolbenmaschine als Treiber entsprechend den Darstellungen der Fig. 2 und 3 sind der Zuströmkanal 36 und der Abströmkanal 37 für das treibende Medium, z.B. das Abgas einer Verbrennungskraftmaschine, tangential am Aussengehäuse 38 derart beidseitig zu dem Absperrläufer 39 angeordnet, dass die Zu- und Abströmung tangential zur Aussenfläche des Absperrläufers 39 und zu der kreiszylindrisch geformten Gehäuseinnenwand 40 erfolgt, wie durch die Strichpunktlinien 41, 42 der Fig. 2 angedeutet ist. Auf diese Weise ergibt sich eine optimale Strömungsführung durch den Ringkanal 44 hindurch zum Antrieb der Kolben 45, 46 des Kolbenläufers.
  • Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 hat der Absperrläufer 39 einen etwas grösseren Durchmesser als der Hälfte des Innendurchmessers der Gehäuseaussenwand 38 entspricht, so dass der Absperrläufer entlang einer Bogenlinie 48 in Kontakt mit dem Gehäuse steht und sich eine grössere Dichtfläche zwischen beiden ergibt. Dennoch wird ein Durchmesserverhältnis von 2 : 1 in Kontakt mit dem Kolben des Kolbenläufers erreicht, da durch die Abrundung der Oeffnungskanten 50, 51 des Absperrläufers 39 der Kontakt auf einem entsprechend kleineren Durchmesser erfolgt.
  • Ein Ausführungsbeispiel für die Lagerung der Läufer der Rotationskolbenmaschine ist den Darstellungen der Fig. 4 und 9 zu entnehmen. Der Kolbenläufer 3" hat zwei kreisförmige Seitenwände 52, 53, deren Ringinnenflächen 54, 55 eine Lagerlaufbahn bilden, die durch jeweils drei in Umfangsrichtung in gleichem Abstand zueinander angeordnete Rollen 56, 57, 58 bzw. 56', 57', 58' gelagert ist. Die Lager oder Lagerzapfen 60, 61 dieser Rollen sind in einem Gehäuseteil 62, 63 gehalten, der durch Schrauben 64, 65 fest mit den Gehäuseseitenplatten 66, 67 verbunden ist und sich in den von der Laufbahn 54, 55 umschlossenen Raum hinein erstreckt. Durch die Anordnung nur einzelner solcher Lagereinrichtungen bzw. Rollen 56 - 58 mit einem wesentlichen Winkelabstand voneinander kann die Welle 68 des Absperrläufers in Umfangsrichtung zwischen zwei dieser Rollen 57, 58 angeordnet sein, wie die Darstellung der Fig. 9 zeigt. Die Verwendung der Rollen 56 - 58 für die Lagerung des Aussenläufers führt auch im Vergleich zu üblichen Wälzlagern zu einer wesentlich verringerten Lagerreibung und ermöglicht somit höhere Drehgeschwindigkeiten der Läufer. Der feststehende Gehäuseteil 62, 63, der die Rollen 56 - 58 aufnimmt, kann ausserdem Strömungskanäle 70, 71, 72 aufweisen, durch die hindurch eine Verbindung mit dem Hohlraum 73 des Innengehäuses z.B. für Kühlzwecke erfolgen kann. Bei der Kopplung der Maschinen entsprechend den Darstellungen der Fig. 4 und 6 kann durch diese Kanäle 70 - 72 hindurch ein Teil der Ansaugluft des Laders nach Fig. 6 auf nicht dargestellte Weise zuströmen, die im Hauptstrom über den seitlichen Stützen 74 (Fig. 6) zugeführt wird.
  • Es versteht sich, dass aufgrund der im vorangehenden beschriebenen Kontruktionsprinzipien zahlreiche weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich sind, entsprechend Verbesserungen der schematisch dargestellten und beschriebenen Maschine im Detail. Für alle Ausführungsformen ist es jedoch wesentlich, dass sich eine Gestaltung der Maschine ergibt, durch die das Arbeitsmittel die Maschine zentrifugalmaschinenartig in Richtung ihres Umlaufes und der dabei auftretenden Fliehkräfte durchströmt.

Claims (10)

1. Innenachsige kurbelwellenlose Rotationskolbenmaschine mit einem Kolbenläufer (3), dessen mindestens einer Kolben (6, 7, 30-33, 45, 46) sich durch einen kreisförmigen Ringraum (5) mit feststehender Innenwand (2) und eine Aussparung (16) eines Absperrläufers (4, 39) bewegt, der den Ringraum an einer Stelle seines Umfanges absperrt, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuströmkanal (74, 36) über eine Oeffnung (10) in der feststehenden Innenwand (2) in den Ringraum (5) mündet oder angrenzend an den Absperrläufer (4) in einer feststehenden radial äusseren Gehäusewand (1) angeordnet ist und dass der Abströmkanal (12, 37) angrenzend an den Absperrläufer (4, 39) in einer feststehenden radial äusseren Gehäusewand (1, 38) vorgesehen ist.
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnung (10) des als Zuführkanal dienenden Innengehäuses (2) in Umfangsrichtung eine so breite Oeffnung hat, dass die umlaufenden Drehkolben (6, 7) zentrifugalventilatorartig sich um diese Oeffnung herumbewegen, wobei die Oeffnung (10) in axialer Richtung mindestens angenähert der axialen Länge der Kolben entspricht.
3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zu- und/oder Abströmkanal (36, 37, 12) in der radial äusseren Gehäusewand (38, 1) mit mindestens angenähert unveränderter Breite bezogen auf die radiale Breite des Ringraumes (5) in diesen übergeht und in Richtung einer Tangente an den Absperrläufer und die Gehäuseinnenwand (3) verläuft.
4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Quetschströmungen der im Absperrläufer (4) für den Durchlauf des Kolbens (6, 7, 45, 46) vorgesehene Hohlraum (23) wesentlich grösser ist als die kinematisch erforderliche Aussparung (16).
5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchmesser- und Drehzahlverhältnis zwischen dem Kolbenläufer (3) und dem Absperrläufer (4) 1:2 beträgt und der Kolben (6, 7, 45, 46) beim Durchlauf durch den Absperrläufer in ständigem beidseitigem dichtenden Kontakt mit den Oeffnungskanten (17, 19, 17', 19', 17", 19", 50, 51) des Absperrläufers (4, 39) steht.
6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oeffnungskanten (17', 19', 17', 19", 50, 51) des Absperrläufers (4 , 39) einen kreisbogenförmigen Querschnitt aufweisen.
7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenläufer (3, 3') die Form eines Hohlzylinders hat, dessen Wand den Ringraum (5) nach aussen begrenzt und entlang der Wand des Aussengehäuses (1) verläuft, wobei die Abströmung aus der Maschine über Oeffnungen (14, 15) in der Wand des Kolbenläufers (3) erfolgt, wenn diese sich mit dem Abströmkanal (12) überdecken.
8. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenläufer (3') eine Innenverzahnung (27) aufweist, die in Eingriff steht mit einer Aussenverzahnung (28) des Absperrläufers (4'), wobei sich der Krümmungsmittelpunkt der Abrundung der Oeffnungskanten (17', 19', 17", 19") im Schnittpunkt des Teilkreises (20, 20') des Absperrläufers (4') und einer Aequidistanten (21, 21') zur Seitenfläche (22, 22') des Kolbens (6') befindet.
9. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenläufer mit mindestens einer kreisförmig gekrümmten, die Welle (68) des Absperrläufers umschliessenden Lagerlaufbahn (54, 55) versehen ist, die durch mehrere in Laufrichtung einen Abstand voneinander aufweisende Lagereinrichtungen (56, 57, 58) gelagert ist, die durch einen gemeinsamen Körper (62, 63) gehalten sind.
10. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwei dieser Maschinen gleichachsig miteinander in Antriebsverbindung stehen, wobei eine als Treiber und die andere als Lader einer Verbrennungskraftmaschine ausgeführt ist.
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