EP0248350A1

EP0248350A1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: EP0248350A1
Application number: EP87107732A
Authority: EP
Inventors: Dieter Merfeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-06-05
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1987-12-09
Also published as: DE8615243U1; WO1987007675A1; EP0270583A1

Abstract

Rotationskolbenmaschine hoher Drehzahlen und Drucke mit Hub -und Schlupfeingriff, insbesondere Brennkraftmaschine, mit a) einem feststehenden Gehäuse, bestehend aus einem zylindrischen Innenkörper (3), zwei Seitenwänden (12, 13) und einem koaxial zum Innenkörper (3) angeordneten, einen Ringraum umschließenden zylindrischen Gehäusemantel (11); b) einem exzentrisch zur Achse (14) des Gehäuses angeordneten Rotor, der sich aus einer Rotorwelle (21), einem die Gehäusemantel-Innenwandung und den zylindrischen Innenkörper (3) tangierenden, den Ringraum des Gehäuses in einen sichelförmigen inneren Arbeitsraum (A1) und einen sichelförmigen äußeren Arbeitsraum (A2) unterteilenden Rotorring (25) und zwei Seitenscheiben (23,24), von denen eine den Rotorring (25) mit der Rotorwelle (21) drehfest verbindet, zusammensetzt; c) mehreren im Rotorring (25) radial zur Rotorachse (22) beweglichen Kolbenschiebern (4), die mittels in den Seitenscheiben (23,24) befindlicher Führungsnuten (28) radial geführt sind und über zu beiden Seiten des Innenkörpers (3) zur Gehäuseachse (14) hin sich erstreckende Führungswangen (45) und daran angelenkte Führungskörper (43) auf konzentrisch zur Gehäuseachse (14) in den Seitenflächen (33, 34) des Innenkörpers (3) befindliche zylindrische Führungsflächen so geführt sind, daß deren Außenkanten (41) im geringen Abstand von der Gehäusemantel-Innenwandung (11) und deren Innenkanten (42) im geringen Abstand vom zylindrischen Innenkörper (3) gehalten sind. Um die Führung der Kolbenschieber zu verbessern, sind in den Seitenflächen (33,34) des Innenkörpers (3) Führungsringe (50) um die Gehäuseachse (14) drehbar gelagert, welche konzentrisch zur Gehäuseachse (14) verlaufende, längliche Ausnehmungen (51) aufweisen, in welche die Führungskörper (43) der Kolbenschieber (4) eingreifen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenmaschine hoher Drehzahlen und Drücke mit Hub- und Schlupfeingriff, insbesondere Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine Rotationskolbenmaschine dieser Art ist aus der DE-PS 21 02 694 bekannt. Bei dieser bekannten Rotationskolbenmaschine sind die radial zur Rotorachse verschieblich im Rotor geführten scheibenartigen Kolbenschieber über zur Rotorachse hin sich erstreckende seitliche Führungswangen und daran angelenkte Gleitsteine in Ringnuten geführt, die in beiden Seitenwänden des feststehenden Innenkörpers eingearbeitet sind. Durch diese Führung werden die scheibenartigen Kolbenschieber im wesentlichen außerhalb der Arbeitsräume so geführt, daß die Außenkanten der Kolbenschieber sich berührungsfrei innerhalb der Gehäusemantel-Innenwandung bewegen und auf diese keine Fliehkräfte übertragen. Die an den Kolbenschiebern angelenkten Gleitsteine, die sich auf die äußeren Zylinderflächen der Ringnuten abstützen, übertragen die in den Kolbenschiebern wirksam werdenden Fliehkräfte auf diese zylindrischen Gleitbahnen an beiden Seitenflächen des stationären Innenkörpers. Weil die Drehzahl des Rotors dieser Rotationskolbenmaschine sehr hoch sein kann, sind einerseits die in den Kolbenschiebern wirkenden Fliehkräfte sehr hoch und andererseits sind die Geschwindigkeiten, mit denen die Gleitkörper der Kolbenschieber über die zylindrische Gleitbahn der Ringnuten gleiten, sehr hoch, so daß eine gute Schmierung dieser Gleitführung notwendig ist und die Gleitsteine in Umfangsrichtung relativ groß sein müssen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationskolbenmaschiene eingangs genannter Art die Führung der Kolbenschieber weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in den Seitenflächen des Innenkörpers Führungsringe um die Gehäuseachse drehbar gelagert sind, welche konzentrisch zur Gehäuseachse verlaufende, längliche Ausnehmungen aufweisen, in welche die Führungskörper der Kolbenschieber eingreifen.
Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine hat den Vorteil, daß geschlossene Führungsringe mit der Drehzahl des Rotors auf den zylindrischen Führungsflächen an den Seiten des Innenkörpers umlaufen und die Führungskürper nur eine relativ kleine, durch die exzentrische Anordnung der Rotorachse zur Achse des Gehäuses verursachte Bewegung innerhalb der Ausnehmungen in den Führungsringen vollführen. Diese Führungsringe nehmen alle Zentrifugalkräfte der Kolbenschieber auf, so daß auf die zylindrischen Gleitflächen des Innenkörpers keine Zentrifugalkräfte einwirken. Die Führungskörper, die von Gleitsteinen der Rollen gebildet sind, können klein gehalten werden, so daß auch die infolge der Exzentrizität je Umlauf zu beschleunigenden und zu verzögernden Massen klein sind.
Dadurch, daß die Führungsringe auf zylindrischen Flächen an den Seitenwänden des Innenkörpers gleiten, ist es ohne Schwierigkeiten möglich, zwischen diesen Teilen stets einen geschlossenen Schmierfilm zu haben, so daß beim Anlaufen der Maschine auch nach längerem Stillstand keine Schmierprobleme auftreten. Eine Druckölschmierung kann zuverlässig für einen Schmierfilm sorgen. Eine der beiden aufeinandergleitenden Flächen, insbesondere die in den Führungsring eingreifende Zylinderfläche am Innenkörper, kann aus einem Lagermetall gebildet sein.
In der folgenden Beschreibung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in

_Fig. ₁ eine Seitenansicht der Rotationskoblenmaschine nach der Erfindung bei abgenommener Gehäuseseitenwand und teilweise geschnitten,
Fig. 2 eine Ansicht nach der Schnittlinie II-II in Fig. 1.

Die Rotationskolbenmaschine besteht aus einem feststehenden Gehäuse mit einem zylindrischen Innenkörper 3, einem zylindrischen Gehäusemantel 11 und Seitenwänden 12 und 13 und aus einem exzentrisch zum Gehäuse angeordneten Rotor mit einem Rotorring 25, Seitenscheiben 23,24 und einer Rotorwelle 21. Der zylindrische Gehäusemantel 11 ist mit Kühlrippen 10 versehen. Das Gehäuse weist einen Ringraum auf, der vom Rotorring 25 in einen sichelförmigen inneren Arbeitsraum A1 und in einen sichelförmigen äußeren Arbeitsraum A2 unterteilt wird. Die Seitenscheibe- verbindet den Rotorring 25 drehfest mit der Welle 21.
Der zylindrische Innenkörper 3 ist zentral im Gehäuse angeordnet und über einen zylindrischen und exzentrisch zur Zylinderachse 14 und koaxial zum Rotor befindliches Verbindungsstück 31 fest mit der Seitenwand 13 des Gehäuses verbunden.
Zwischen den Seitenscheiben 23 und 24 des Rotors sind Ringsegmente befestigt, die zusammen den Rotorring 25 bilden. In den Seitenscheiben 23 und 24 und zwischen den Segmenten des Rotorringes 25 sind Kolbenschieber 4 radial zur Rotorachse 22 verschieblich geführt. Diese scheibenförmigen Kolbenschieber 4 erstrecken sich über die Breite des Ringraumes des Gehäuses. Die Kolbenschieber 4 liegen mit Dichtleisten an ihren äußeren Kanten 41 (Fig. 1) an der zylindrischen Innenwandung des Gehäusemantels 11 an und mit ihren inneren Kanten 42 an der zylindrischen Fläche 32 des Innenkörpers 3 an. Die fünf Kolbenschieber 4 unterteilen die beiden sichelförmigen Arbeitsräume A1 und A2 in je fünf Arbeitskammern. In den Seitenscheiben 23,24 sind radial zur Gehäuseachse 14 verlaufende Führungsnuten 28 eingearbeitet, in denen die Kolbenschieber 4 mit ihren seitlichen Führungswangen 45 radial beweglich geführt sind. In den Seitenflächen 33,34 des Innenkörpers 3 sind Führungsringe 50 drehbar gelagert, welche Ausnehmungen 51 aufweisen, in die Führungskörper 43 eingreifen, die an den seitlichen, in den Führungsnuten 28 radial geführten Führungswangen 45 angelenkt sind.
Die Kolbenschieber 4 werden von den Führungskörpern 43 so geführt, daß sie mit ihren gerundeten Außenkanten 41 reibungsfrei an der Innenwand des Gehäusemantels 11 anliegen.
Auch die gerundeten Innenkanten 42 der Kolbenschieber 4 liegen reibungsfrei an der Zylinderfläche 32 des Innenkörpers 3 an. Zwischen den Segmenten des Rotorrings 25 sind die Kolbenschieber 4 mittels Dichtelementen gleitend abgedichtet.
Der zylindrische Innenkörper 3 ist über ein axiales, zylindrisches Verbindungsstück 31 starr mit der Seitenwand 13 des Gehäuses verbunden. Auf diesem Verbindungsstück 31 ist die Seitenscheibe 23 des Rotors um die Rotorachse 22 drehbar gelagert. Die andere, den Rotorring 25 mit der Rotorwelle 21 verbindende Seitenscheibe 24 ist in der Seitenwand 12 des Gehäuses drehbar gelagert. In der Rotorwelle 21 befindet sich ein Stützlager für einen zylindrischen Vorsprung 39 des Innenkörpers 3.
Die Führungskörper 43 können Gleitsteine sein oder - wie Fig. 1 zeigt - Rollen, die vorzugsweise über Nadellager drehbar auf Zapfen 46 an den Fortsätzen 45 der Kolbenschieber 4 gelagert sind. Die konzentrisch zur Gehäuse- achse 14 verlaufenden länglichen Ausnehmungen 51 in den Führungsringen 50 erstrecken sich in Längsrichtung so weit, daß die Führungskörper 43 sich während einer Umdrehung des Rotors ohne an den beiden Enden der länglichen Ausnehmung 51 anzustoßen vor- und zurückbewegen können. Die Führungsringe 50 können mit ihren zylindrischen Innenflächen 52 auf einem zylindrischen Ansatz an beiden Seiten des Innenkörpers 3 gelagert sein. In diesem Falle kann der Außendurchmesser der Führungsringe 50 fast so groß sein wie der Außendurchmesser des Innenkörpers 3. Dies hat den Vorteil, daß die seitlichen Führungswangen 45 an den Kolbenschiebern ₄ möglichst kruz sein können und dadurch deren Masse klein gehalten werden kann.
Die Führungsringe 50 können aber auch mit ihrer zylindrischen Außenfläche 53 auf einer diese Außenfläche 53 umfassende Hohlzylinderfläche an den Seiten des Innenkörpers 3 gelagert sein.
Der Antrieb der Führungsringe 50 erfolgt dadurch, daß abwechselnd jeweils ein Kolbenschieber 4 mit seinen beiden Führungskörpern 43 die Führungsringe 50 vorbewegt, und zwar durch mechanische Anlage oder über Druckkissen, die sich zwischen den Führungskörpern 43 und den vorderen Endflächen der länglichen Ausnehmungen 51 bilden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel übernehmen während einer Umdrehung des Rotors die fünf Kolbenschieber 4 nacheinander diesen Vortrieb der Führungsringe 50.
Es ist aber auch möglich, die Führungswangen 45 eines Kolbenschiebers 4 unmittelbar an die Führungsringe 50 anzulenken. In diesem Falle übernimmt dieser Kolbenschieber 4 allein das Vortreiben der Führungsringe 50.
Die Wirkungsweise der Brennkraftmaschine nach Fig. 1 und 2 ist wie folgt:

Durch zwei im Innenkörper 3 angeordnete und durch das Verbindungsstück 31 hindurchgeführte Ansaugkanäle 35 wird Luft oder ein Kraftstoff-Luftgemisch in den inneren sichelförmigen Arbeitsraum A1 angesaugt und in dem in Drehrichtung des Rotors kleiner werdenden Bereich des innenliegenden Arbeitsraumes A1 verdichtet. Die verdichtete Luft wird über einen überströmkanal 17 im Verdichtungsbereich des äußeren Arbeitsraums A2 übergeleitet. Im äußeren Arbeitsraum A2 mündet ein zweiter Einlaß 15. Durch diesen zweiten Einlaß 15 wird Frischluft angesaugt und anschliessend verdichtet unter Zuführung der im inneren Arbeitsraum A1 verdichteten Luft oder des Luft-Kraftstoffgemisches. Erreicht ein Kolbenschieber 4 den Zündkanal 18, dann hat das vor diesem Kolbenschieber 4 befindliche zündfähige Gemisch die höchste Kompression und wird gezündet. Die zwischen der Zündkammer 18 und dem Auslaß ₁₆ expandierenden Gase beaufschlagen zwei oder drei Kolbenschieber 4 mit Druck, wobei dem im Verlauf der Rotation abnehmenden Verbrennungsdruck eine kontinuierlich zunehmende Schieberfläche zur Verfügung steht. Diese druckbeaufschlagten Kolbenschieber 4 nehmen den Rotorring 25 und damit den Rotor in Drehrichtung mit. Ober den Auslaß ₁₆ verlassen die Verbrennungsgase die Maschine.

Die radial zur Rotorachse 22 in den Führungsnuten 28 und tangential zur Gehäuseachse 14 in den Ausnehmungen 51 der Führungsringe 50 geführten Kolbenschieber 4 übertragen die auf sie einwirkenden Kräfte über die Segmente des Rotorringes 25 und über die Seitenscheibe 24 auf die Rotorwelle 21.

Bezugszeichenliste

10 Kühlrippen
11 Gehäusemantel
12 Seitenwand
13 Seitenwand
14 Gehäuseachse
15 Einlaß
16 Auslaß
17 Oberströmkanal
18 Zündkammer
21 Rotorwelle
22 Rotorachse
23 Seitenscheibe
24 Seitenscheibe
2-5 Rotorring
28 Führungsnut
3 Innenkörper
31 Verbindungsstück
32 Zylinderfläche
33 Seitenfläche
34 Seitenfläche
35 Ansaugkanal
39 Vorsprung
4 Kolbenschieber
41 Außenkante
42 Innenkante
43 Führungskörper
45 seitliche Führungswangen
46 Zapfen
50 Führungsring
51 Ausnehmung
52 Innenfläche
53 Außenfläche

Claims

1. Rotationskolbenmaschine hoher Drehzahlen und Drücke mit Hub- und Schlupfeingriff, insbesondere Brennkraftmaschine, mit

a) einem feststehenden Gehäuse, bestehend aus einem zylindrischen Innenkörper (3), zwei Seitenwänden (12,₁3) und einem koaxial zum Innenkörper (3) angeordneten, einen Ringraum umschließenden zylindrischen Gehäusemantel (11);

b) einem exzentrisch zur Achse (14) des Gehäuses angeordneten Rotor, der sich aus einer Rotorwelle (21), einem die Gehäusemantel-Innenwandung und den zylindrischen Innenkörper (3) tangierenden, den Ringraum des Gehäuses in einen sichelförmigen inneren Arbeitsraum (A1) und einen sichelförmigen äußeren Arbeitsraum (A2) unterteilenden Rotorring (25) und zwei Seitenscheiben (23,24), von denen eine den Rotorring (25) mit der Rotorwelle (21) drenfest verbindet, zusammensetzt;

c) mehreren im Rotorring (25) radial zur Rotorachse (22) beweglichen Kolbenschiebern (4), die mittels in den Seitenscheiben (23,24) befindlicher Führungsnuten (28) radial geführt sind und über zu beiden Seiten des Innenkörpers (3) zur Gehäuseachse (14) hin sich erstreckende Führungswangen (45) und daran angelenkte Führungskörper (43) auf konzentrisch zur Gehäuseachse (14) in den Seitenflächen (33,34) des Innenkörpers (3) befindliche zylindrische Führungsflächen so geführt sind, daß deren Außenkanten (41) im geringen Abstand von der Gehäusemantel-Innenwandung (11) und deren Innenkanten (42) im geringen Abstand vom zylindrischen Innenkörper (3) gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenflächen (33,34) des Innenkörpers (3) Führungsringe (50) um die Gehäuseachse (14) drehbar gelagert sind, welche konzentrisch zur Gehäuseachse (14) verlaufende, läng- _liche Ausnehmungen (51) aufweisen, in welche die _Führungskör- per (43) der Kolbenschieber (4) eingreifen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe (50) mit ihren zylindrischen Innenflächen (52) auf einem zylindrischen Vorsprung an den Seitenflächen (33,34) des Innenkörpers (3) drehbar gelagert sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsringe (50) mit ihren zylindrischen Außenflächen (53) auf einer die Führungsringe (50) umfassenden zylindrischen Fläche an den Seitenwänden (33, 34) des Innenkörpers (3) drehbar gelagert sind.

4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungskörper (43) Rollen sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollen (43) nadelgelagert sind.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kolbenschieber(₄) mit seinen seitlichen Führungswangen (45) unmittelbar an den Führungsringen (50) angelenkt ist.