EP0321782B1 - Rotationskolben-Verdrängungsmaschine - Google Patents
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
- F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
- F01C1/02—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
- F01C1/0207—Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
- F01C1/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
Definitions
- the invention relates to a rotary piston displacement machine for compressible media, with at least one conveying space delimited by spiral peripheral walls extending vertically from a side wall of a fixed housing, which leads from an inlet lying outside the spiral to an outlet lying inside the spiral, and with one spiral-shaped displacement body protruding into the conveying space, which is mounted in relation to the conveying space to perform a circular, torsion-free movement and whose center is offset eccentrically relative to the center of the peripheral walls such that the displacement body always has both the outer and the inner peripheral wall of the conveying space almost touches on at least one progressive sealing line, and the spiral shape is selected so that the theoretically the largest possible inlet volume in the delivery space between the displacement body and the outer peripheral wall e is reached before the orbiting rotor, which carries the vertical displacement bodies, assumes the 0 ° / 360 ° position with respect to the delivery chamber, in which the displacement body rests with its inlet-side end on the outer peripheral wall.
- a rotary machine the principle of which is known from DE-C3-2603462, is suitable for charging an internal combustion engine, since it is characterized by an almost pulsation-free conveyance of the working medium, which consists, for example, of air or an air / fuel mixture.
- the working medium which consists, for example, of air or an air / fuel mixture.
- a machine of the type mentioned is known from DE-A-3138585.
- the fact that the theoretically maximum inlet volume is larger than the actually achievable volume results from the fact that the spiral is composed of several adjoining circular arc segments, each with a smaller radius.
- a schematic diagram of this behavior is shown in FIG. 2 to be described later.
- the displacement body lies in the so-called 0 ° / 360 ° position on the outer circumferential wall, which means that the suction process is considered complete.
- tests using water models have now shown that with this configuration, a not inconsiderable part of the medium drawn in flows back from the delivery chamber into the inlet during the closing process.
- the invention is therefore based on the object of designing the inlet area of such a machine in such a way that that the backflow is reduced, which improves the volumetric efficiency.
- this is achieved in that the sealing line at the inlet-side end of the outer peripheral wall is advanced by an angle ⁇ between 5 ° and 50 ° relative to the 0 ° / 360 ° position, the outer peripheral wall forming an arc in this angular region which extends from a radially inner, inlet-side region of the peripheral wall leads to a radially outer region of the peripheral wall.
- the machine shown is shown for the sake of simplicity with only one delivery chamber 6 and only one displacer. It goes without saying, however, that the displacer can have an entire system of spirals in the same plane, which can, for example, convey each from its own inlet 2 into a common outlet 3.
- the disk-shaped rotor is designated as a whole by 1.
- Spiral displacement bodies 5 are arranged on one or on both sides of the disk 4. These engage in a delivery chamber 6 of the fixed housing 7 and seal against it via sealing strips 14 inserted into the end wall. It runs from an inlet 2 arranged on the outer circumference of the spiral in the housing to an outlet 3 arranged in the interior of the housing. It has essentially parallel circumferential walls 8, 9 arranged at a constant distance from one another, which here - like the displacement body - have a spiral of more than include 360 °.
- the displacement body 5 is guided between these peripheral walls 8, 9. Its curvature is dimensioned such that it almost touches the inner and outer peripheral walls simultaneously in several places.
- the center 10 of the displacement body 5 is offset eccentrically with respect to the center 11 of the delivery chamber 6.
- the spiral shape of the delivery chamber and displacement body is made up of quarter-circle arches.
- the eccentric drive of the disk-shaped rotor 1 carrying the displacement body 5 results in a circular movement of each of the points of the displacement body, this circular movement being limited by the peripheral walls of the delivery chamber.
- crescent-shaped working spaces 12 which enclose the working medium, result on both sides of the displacement body, which on the occasion of the circular movement of the displacement body through the delivery space in Towards the outlet. The volume of these working spaces is reduced and the pressure of the working fluid increases accordingly.
- the principle sketch according to FIG. 2 shows why the geometrically possible suction volume in such a machine is larger than the volume actually enclosed in the first working space.
- the spiral shape is given by two adjacent semicircles.
- the displacement body 5 is in the 0 ° / 360 ° position, i.e. it forms a sealing line with the outer peripheral wall 9 in the inlet area. Line because the peripheral walls 8, 9 and the displacer 5 extend perpendicular to the plane of the drawing.
- the suction process has ended and the crescent-shaped working space 12 is composed of the three partial areas A, B and C.
- the invention is based on this finding.
- ⁇ an optimal value for the angle ⁇ cannot be specified in the present case, since this depends on numerous parameters, for example on the spiral shape, eccentricity, leading edge of the displacement body, expected throttle losses, etc. From the However, the observation given above shows that even small angles lead to results.
- the displacer 5 is rounded at its leading edge in terms of flow, here semicircularly with the radius R1.
- the center of the semicircle is the geometric location that rotates on the dashed circle of eccentrics.
- the displacement position represents the starting position, i.e. the suction cycle begins. It is the displacement position, as it is also shown in Fig. 1 and which is defined as a 180 ° position.
- the displacer forms a sealing line with the inner circumferential wall 8 and the upper delivery chamber is opened with the fully available cross section against the inlet 2.
- Fig. 6 the opposite 0 ° / 360 ° position is shown.
- the displacer 5 bears against the outer peripheral wall 9. In this position, the suction process is complete without the new measure.
- the closing edge 13 On the outer peripheral wall 9, the closing edge 13 is advanced by the angle ⁇ relative to the plane which marks the 0 ° / 360 ° position. 5, the first sealing line occurs considerably earlier on the occasion of the circular movement of the displacer 5 compared to the conventional case. The suction process is therefore ended earlier.
- the volume enclosed in the working space 12 is, in view of the explanations relating to FIG. 2, greater than that which is shown in FIG. 6. That means nothing else than that the desired compression process starts earlier. For this, however, it is necessary that from the closing point 13 to the 0 ° position permanently is sealed so that there is no backflow from the working space 12 into the inlet 2.
- radius R2 is a function of the displacer leading edge. If the displacement body 5 were terminated with a sharp edge, the radius R2 would correspond to the eccentricity e. In the example shown with a semicircular end, the radius R2 corresponds to the sum of the radii R1 of the semicircle and e to the eccentricity.
- the displacer position according to Fig. 4, i.e. The 270 ° position is only intended to show that the new measure does not really impair the inlet flow cross-section. Furthermore, it goes without saying that the closing edge 13 does not have to be sharp-edged per se. A possibly more favorable flow-wise transition of the circular arc 9 'to the channel wall of the inlet 2 is easily conceivable.
- the spiral section under consideration on the outer circumferential wall 9, of which only the first 360 ° of the overall wrap is essential - the section that encompasses the crescent-shaped working space 12 after the suction has ended - is composed of two semicircles with the radii 68 mm and 52 mm.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Verdrängungsmaschine für kompressible Medien, mit mindestens einem durch spiralförmige, sich von einer Seitenwand eines feststehenden Gehäuses senkrecht erstreckende Umfangswände begrenzten Förderraum, der von einem ausserhalb der Spirale liegenden Einlass zu einem innerhalb der Spirale liegenden Auslass führt, und mit einem in den Förderraum ragenden, spiralförmigen Verdrängungskörper, der in Bezug auf den Förderraum zur Ausführung einer kreisenden, verdrehungsfreien Bewegung gelagert ist und dessen Zentrum gegenüber dem Zentrum der Umfangswände exzentrisch so versetzt ist, dass der Verdrängungskörper stets sowohl die aussenliegende als auch die innenliegende Umfangswand des Förderraumes an je mindestens einer fortschreitenden Dichtlinie nahezu berührt, und wobei die Spiralform so gewählt ist, dass das theoretisch grösstmögliche Einlassvolumen im Förderraum zwischen Verdrängungskörper und aussenliegender Umfangwand erreicht ist, bevor der kreisende Läufer, der die senkrechten Verdrängungskörper trägt, in Bezug auf den Förderraum die 0°/360°-Stellung einnimmt, bei der der Verdrängungskörper mit seinem einlasseitigen Ende an der aussenliegenden Umfangswand anliegt.
- Eine Rotationsmaschine, deren Prinzip aus der DE-C3-2603462 bekannt ist, eignet sich für die Aufladung einer Brennkraftmaschine, da sie sich durch eine nahezu pulsationsfreie Förderung des beispielsweise aus Luft oder aus einem Luft-Kraftstoff-Gemisch bestehenden Arbeitsmittels auszeichnet. Während des Betriebes eines derartigen Aufladegerätes werden entlang des Förderraumes zwischen dem Verdränger und den beiden Umfangswänden des Förderraumes mehrere sichelförmige Arbeitsräume eingeschlossen, die sich vom Einlass durch den Förderraum hindurch zum Auslass hin bewegen. Hierbei verringert sich ihr Volumen zunehmend bei einer entsprechenden Erhöhung des Arbeitsmittelsdruckes.
- Eine Maschine der eingangs genannten Art ist bekannt aus der DE-A-3138585. Die Tatsache, dass das theoretisch maximale Einlassvolumen grösser ist als das tatsächlich erzielbare Volumen, ergibt sich dadurch, dass die Spirale aus mehreren aneinanderanschliessenden Kreisbögensegmenten mit jeweils kleiner werdendem Radius zusammengesetzt ist. Eine Prinzipskizze über dieses Verhalten ist in der später zu beschreibenden Figur 2 dargestellt. Bei der bekannten Maschine liegt der Verdrängungskörper bei der kreisenden Bewegung des Läufers erstmals in der sogenannten 0°/360°-Stellung an der äusseren Umfangswand an, womit der Ansaugvorgang als abgeschlossen gilt. Versuche anhand von Wassermodellen haben nun jedoch gezeigt, dass bei dieser Konfiguration anlässlich des Schliessvorgangs ein nicht unbeträchtlicher Teil des angesaugten Mediums vom Förderraum in den Einlass zurückströmt.
- Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, den Einlassbereich einer solchen Maschine dahingehend zu gestalten, dass das Rückströmen vermindert wird, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad verbessert wird.
- Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht, dass die Dichtlinie am einlassseitigen Ende der aussenliegenden Umfangswand gegenüber der 0°/360°-Stellung um einen Winkel α zwischen 5° und 50° vorverlegt ist, wobei die aussenliegende Umfangswand in diesem Winkelbereich einen Kreisbogen bildet, der von einem radial innenliegenden, einlasseitigen Bereich der Umfangswand zu einem radial aussenliegenden Bereich der Umfangswand führt.
- In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Es zeigt:
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch den Rotationskolbenverdichter mit stirnseitiger Ansicht des Verdrängungskörpers,
- Fig. 2
- eine Prinzipskizze zum Förderraumvolumen,
- Fig. 3-6
- diverse Arbeitsstellungen des Verdrängungskörpers.
- In der Zeichnung sind alle für das Verständnis der Erfindung unwesentlichen Teile wie beispielsweise der Antrieb, die Lagerung und die Führung des Läufers, die Zu- und Abströmung des Arbeitsmediums fortgelassen.
- Die gezeigte Maschine ist der Einfachheit halber mit nur einem Förderraum 6 und nur einem Verdränger dargestellt. Es versteht sich indessen, dass der Verdränger in der gleichen Ebene ein ganzes System von Spiralen aufweisen kann, die beispielsweise jede von einem eigenen Einlass 2 in einen gemeinsamen Auslass 3 fördern können.
- Zwecks Erläuterung der Funktionsweise der Maschine, welche eine Anwendung als Spiralverdichter finden könnte, wird auf die genannte DE-C3 2603462 verwiesen. Nachstehend wird nur der für das Verständnis der Erfindung notwendige Maschinenaufbau und Prozessablauf kurz beschrieben.
- Mit 1 ist der scheibenförmige Läufer insgesamt bezeichnet. An einer oder an beiden Seiten der Scheibe 4 sind spiralförmig verlaufende Verdrängungskörper 5 angeordnet. Diese greifen in einen Förderraum 6 des feststehenden Gehäuses 7 ein und dichten gegen dieses über in die Stirnwand eingelegte Dichtstreifen 14. Der Förderraum 6 ist nach Art eines spiralförmigen Schlitzes beispielsweise in das Gehäuse 7 eingearbeitet. Er verläuft von einem am äusseren Umfang der Spirale im Gehäuse angeordneten Einlass 2 zu einem im Gehäuseinneren angeordneten Auslass 3. Er weist im wesentlichen parallele, im gleichbleibenden Abstand zueinander angeordnete Umfangswände 8, 9 auf, die hier ― wie der Verdrängungskörper ― eine Spirale von mehr als 360° umfassen. Zwischen diesen Umfangswänden 8, 9 wird der Verdrängungskörper 5 geführt. Dessen Krümmung ist so bemessen, dass er die inneren und äusseren Umfangswände gleichzeitig an mehreren Stellen nahezu berührt. Hierzu ist das Zentrum 10 des Verdrängungskörpers 5 gegenüber dem Zentrum 11 des Förderraumes 6 exzentrisch versetzt. Die Spiralform von Förderraum und Verdrängungskörper setzt sich aus Viertelkreisbögen zusammen.
- Während des Betriebes der Maschine stellt sich durch den exzentrischen Antrieb des scheibenförmigen, den Verdrängungskörper 5 tragenden Läufers 1 eine Kreisbewegung jedes der Punkte des Verdrängungskörpers ein, wobei diese Kreisbewegung durch die Umfangswände des Förderraumes begrenzt ist. Infolge der mehrfachen, abwechselnden Annäherung des Verdrängungskörpers an die inneren und äusseren Umfangswände ergeben sich auf beiden Seiten des Verdrängungskörpers sichelförmige, das Arbeitsmedium einschliessende Arbeitsräume 12, die anlässlich der Kreisbewegung des Verdrängungskörpers durch den Förderraum in Richtung auf den Auslass vorgeschoben werden. Hierbei verringert sich das Volumen dieser Arbeitsräume und der Druck des Arbeitsmittels erhöht sich entsprechend.
- In der Prinzipskizze nach Fig. 2 ist dargestellt, wieso das geometrisch mögliche Ansaugvolumen bei einer derartigen Maschine grösser ist als das tatsächlich im ersten Arbeitsraum eingeschlossene Volumen. Der Einfachheit halber ist die Spiralform durch zwei anneinanderliegende Halbkreise gegeben. Der Verdrängungskörper 5 befindet sich in der 0°/360°-Stellung, d.h. er bildet im Einlassbereich mit der äussern Umfangswand 9 eine Dichtlinie. Linie deshalb, weil sich die Umfangswände 8, 9 und der Verdrängungskörper 5 senkrecht zur Zeichnungsebene erstrecken. Der Ansaugvorgang ist beendet und der sichelförmige Arbeitsraum 12 setzt sich aus den drei Teilflächen A, B und C zusammen.
- Wird nun der Verdränger um den Drehwinkel dδ zurückbewegt, so ist gemäss vergrössertem Ausschnitt in der Fig. 2 zu erkennen, dass sich die Teilfläche A des sichelförmigen Arbeitsraumes um den Betrag a · dx vergrössert, während sich die Teilfläche C um den Betrag c · dx verkleinert; die Teilfläche B bleibt unverändert. Der Einfluss dy der Verschiebung in radialer Richtung bleibt bezüglich der Flächenänderung vernachlässigbar. Die Gesamtfläche A + B + C vergrössert sich durch die Winkelverdrehung um den Betrag (a - c) · dx.
- Auf dieser Erkenntnis beruht die Erfindung. Um ein grösstmögliches Ansaugvolumen zu erzielen, wird deshalb gemäss Fig. 1 die eigentliche Schliesskante 13, d.h. die Stelle des erstmaligen Anliegens des Verdrängungskörpers an der äusseren Umfangswand des Förderraumes, um einen bestimmten Drehwinkel α, vorverlegt. Es versteht sich, dass im vorliegenden Fall ein optimaler Wert für den Winkel α nicht angegeben werden kann, da dieser von zahlreichen Parametern abhängig ist, beispielsweise von Spiralform, Exzentrizität, Vorderkante des Verdrängungskörpers, zu erwartenden Drosselverlusten usw. Aus der oben angeführten Betrachtung ist jedoch erkennbar, dass auch bereits kleine Winkel zu Ergebnissen führen.
- Die Geometrie und die Funktionsweise der neuen Maschine werden anhand der Fig. 3-6 erläutert.
- Der Verdrängungskörper 5 ist an seiner Eintrittskante strömungsgünstig, hier halbkreisförmig mit dem Radius R1 abgerundet. Das Zentrum des Halbkreises ist der geometrische Ort, der auf dem strichliert gezeichneten Exzenterkreis rotiert.
- Bezüglich der durch die von der aussenliegenden Umfangswand 9 begrenzten Arbeitsräume 12 stellt die Verdrängerstellung nach Fig. 3 die Ausgangslage dar, d.h. der Ansaugzyklus beginnt. Es handelt sich um jene Verdrängerstellung, wie sie auch in Fig. 1 dargestellt ist und die als 180° -Stellung definiert ist. Der Verdränger bildet mit der innenliegenden Umfangswand 8 eine Dichtlinie und der obere Förderraum ist mit dem voll verfügbaren Querschnitt gegen den Einlass 2 geöffnet.
- In Fig. 6 ist die entgegengesetzte 0°/360°-Stellung gezeigt. Der Verdränger 5 liegt an der aussenliegenden Umfangswand 9 an. In dieser Stellung ist ohne die neue Massnahme der Ansaugvorgang abgeschlossen.
- An der aussenliegenden Umfangswand 9 ist die Schliesskante 13 um den Winkel α gegenüber der Ebene, die die 0°/360°-Stellung markiert, vorverlegt. Nach Fig. 5 tritt die erstmalige Dichtlinie anlässlich der Kreisbewegung des Verdrängers 5 im Vergleich zum herkömmlichen Fall also wesentlich früher auf. Der Ansaugvorgang ist demnach früher beendet. Das im Arbeisraum 12 eingeschlossene Volumen ist in Anbetracht der Ausführungen zu Fig. 2 grösser als jenes, welches in Fig. 6 dargestellt ist. Das heisst nichts anderes, als dass auch der erwünschte Verdichtungsvorgang früher einsetzt. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass vom Schliesspunkt 13 bis zur 0°-Stellung permanent abgedichtet wird, damit keine Rückströmung aus dem Arbeitsraum 12 in den Einlass 2 erfolgt.
- Der Uebergang von der Umfangswand 9 bis zur Schliesskante 13 wird durch einen Kreisbogen 9′ vollzogen. Dessen Radius R2 ist eine Funktion der Verdrängereintrittskante. Würde der Verdrängungskörper 5 scharfkantig abschliessen, so entspräche der Radius R2 der Exzentrizität e. Im gezeigten Beispiel mit halbrundem Abschluss entspricht der Radius R2 der Summe der Radien R1 des Halbkreises und e der Exzentrizität.
- Die Verdrängerposition nach Fig. 4, d.h. 270°-Stellung, soll lediglich aufzeigen, dass durch die neue Massnahme keine wirkliche Beeinträchtigung des Eintrittsströmungsquerschnitts stattfindet. Darüberhinaus versteht es sich, dass die Schliesskante 13 an sich nicht scharfkantig sein muss. Ein gegebenenfalls strömungsmässig günstigerer Uebergang des Kreisbogens 9′ zur Kanalwand des Eintritts 2 ist ohne weiteres denkbar.
- Ein Zahlenbeispiel soll das erzielbare Ergebnis verdeutlichen. Es werden dabei nur die beteiligten Geometrien betrachtet, d.h. ein zusätzlicher eventueller Gewinn an verhinderter Rückströmung wird nicht berücksichtigt. Zugrundegelegt wird eine Grössenordnung, wie sie bei einer Anwendung der Maschine als Spiralkompressor zur Aufladung von Brennkraftmaschinen durchaus üblich ist.
- Der betrachtete Spiralenabschnitt an der aussenliegenden Umfangswand 9, von dem nur die ersten 360° der Gesamtumschlingung wesentlich sind ― jener Abschnitt also, der den sichelförmigen Arbeitsraum 12 nach beendetem Ansaugen umfasst ― setzt sich aus zwei Halbkreisen mit den Radien 68 mm und 52 mm zusammen. Die Exzentrizität betrage 4 mm; die Schliesskante 13 sei um den Drehwinkel α = 50° vorverlegt. Bei dieser Konfiguration kann leicht errechnet werden, dass durch die neue Massnahme im Arbeitsraum eine Flächenvergrösserung von 5,1% erzielbar ist.
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