EP2350437A1 - Verdichtungsvorrichtung, pumpe und verbrennungsmotor - Google Patents

Verdichtungsvorrichtung, pumpe und verbrennungsmotor

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Publication number
EP2350437A1
EP2350437A1 EP08874996A EP08874996A EP2350437A1 EP 2350437 A1 EP2350437 A1 EP 2350437A1 EP 08874996 A EP08874996 A EP 08874996A EP 08874996 A EP08874996 A EP 08874996A EP 2350437 A1 EP2350437 A1 EP 2350437A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
separator
rotary piston
fluid
internal combustion
combustion engine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08874996A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Haltenberger
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
WEUSTERMANN, BRIGITTE
Original Assignee
Halttec Group Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Halttec Group Ltd filed Critical Halttec Group Ltd
Publication of EP2350437A1 publication Critical patent/EP2350437A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F01C1/30—Rotary-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
    • F01C1/40—Rotary-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 the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member
    • F01C1/44—Rotary-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 the movement defined in group F01C1/08 or F01C1/22 and having a hinged member with vanes hinged to the inner member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a device for compressing, displacing and / or expanding a fluid with a rotary piston which is rotatably mounted on an eccentric shaft mounted in a Verdrängerraum and in a plane of rotation which extends perpendicular to a shaft axis of an eccentric shaft, rotatable, wherein Displacement is limited by an inner surface of a housing and is divided by the rotary piston and a separator in two subspaces of variable size.
  • the invention further relates to a pump for displacing a fluid with at least one device for compressing and / or displacing a
  • Generic rotary piston compressors or displacers comprise a, often cylindrical, rotary piston which rotates eccentrically in a, often also cylindrical, displacement chamber, wherein the rotary piston either closes tightly with the inner wall of the displacement chamber or only a narrow intermediate gap open can through which little fluid, so a gas or liquid, can pass.
  • a separator often a straight or curved area element, is provided, which on the one hand has contact with the rotary piston and, on the other hand, with the inner wall of the displacer space.
  • Fluid is compressed or displaced while a new compartment opens on the opposite side of the separator, which is enlarged and sucked into the fluid.
  • the complete cycle of aspiration and displacement of a fluid amount therefore requires two rotations of the rotary piston, with each
  • the separators are either fixedly connected to the rotary piston and slidably mounted in the inner wall of the displacement or vice versa. They have articulated or sliding contact with the rotary piston or the inner wall of the displacement.
  • Other separators have a substantially curved shape and are hinged and / or dragged with the surface.
  • the rotary piston compressor according to EP 0 851 125 A1 has a straight and flat separator, which is formed in one piece on a cylindrical rotary piston which is rotatable eccentrically in a displacement chamber and protrudes from the circumference of the rotary piston at a 90 ° angle.
  • the separator is slidably and rotatably supported in a shoe in the wall of the displacement chamber.
  • US Pat. No. 6,409,488 B1 discloses a rotary piston compressor with a cylindrical rotary piston in a cylindrical displacement chamber with a straight separator, which is guided in a spring-loaded manner in the housing wall in a linearly movable manner.
  • the separator engages a slot-shaped recess in the outer wall of the cylindrical rotary piston and thus prevents complete rotation of the rotary piston about its axis.
  • DE 43 15 602 A1 relates to an oscillating piston pump, wherein the cylindrical piston is formed by a pin seated eccentrically on a pump shaft, on which a support ring is freely rotatable.
  • the support ring is connected by means of a double-sided arcuate separator with the housing wall, so that a complete rotation of the support ring on the housing is prevented.
  • a recess for the arcuate separator is provided in the inner wall of the housing.
  • a device for compressing, displacing and / or expanding a fluid with a rotary piston which is rotatably mounted on an eccentric shaft mounted in a Verdrängerraum and rotatable in a plane of rotation, which extends perpendicular to a shaft axis of the eccentric shaft , wherein the displacement chamber is delimited by an inner surface of a housing and can be subdivided by the rotary piston and a separator into two variable-sized sub-spaces, which are further developed in that the separator has a nikabismesför- shaped outer contour and is rotatably mounted on an axis of rotation with the center of the outer contour of the separator circumscribing circle coincides.
  • the solution according to the invention is based on the idea of rotatably supporting the separator around an external point.
  • the solution according to the invention differs from known separators, which are loaded at at least two points of the planar separator body, namely at the point of contact with the rotary piston and at the interface with the housing of the device. This includes the case that instead of a hinged
  • the part of the separator which causes the subdivision of the displacement chamber into two subspaces, is connected in the device according to the invention only with the rotary piston.
  • the planar part of the separator is not further loaded and only has to withstand the pressure difference of the fluid in the compartments.
  • the stresses caused by the forced operation are dissipated laterally to the axis of rotation of the separator.
  • This lateral part of the separator can be made so stable that higher loads can be absorbed than in the prior art.
  • the axis of rotation of the separator is arranged eccentrically in the displacement.
  • An eccentric arrangement here also means a decentralized arrangement of the axis of rotation of the separator in the displacer.
  • a further advantage of the invention is that the rotatability of the separator around an external point achieves a longer lever with simultaneously less absolute movement of the separator than in the prior art. This makes it possible to make the rotary piston smaller in relation to the displacer space, whereby the active volume of the displacer space is increased while maintaining the same size. In addition, this reduces the load on the moving parts.
  • the rotary piston can be made smaller and lighter in relation to the displacement, also the mechanical vibrations that occur in the rotation of the rotary piston in the device reduce.
  • these are, in particular, pressed ball bearings or the use of self-lubricating materials, such as gun barrels, which permit, for example, steel shafts to be stored without that the materials seize up.
  • a compressed ball bearing is understood in the context of the present invention, a bearing that ideally without tolerance, at least with extremely low tolerance, for example, about 1 micron, is installed and has a tight fit. Such a used stock is only with
  • an eccentric shaft is understood to mean any force- and rotational-impulse-transmitting shaft on which a rotary piston is mounted eccentrically, so that a rotation of the shaft causes a rotation of the center of the rotary piston about the central axis of rotation of the eccentric shaft.
  • the subspaces are within the scope of the invention, a subspace which increases in the course of one revolution of the eccentric shaft with the rotary piston, in particular under suction of fluid and a second subspace, which simultaneously reduces and displaces fluid and / or compressed. These subspaces are also referred to below as intake space and compression space.
  • the working direction of a device according to the invention for compressing and / or displacing a fluid can advantageously also be reversed.
  • the separator is connected at one end point of its circular section-shaped outer contour to the circumference of the rotary piston in an articulated manner. This has the advantage that the comparatively flat separator is only positively guided at one point.
  • the second end point of the separator body is not connected to any other component, so that no bending forces act on the separator body and this does not deform. Instead, the separator is supported on an axis of rotation which is in the center of the circular outer contour, so that in the course of a rotational movement of the rotary piston the separator moves off part of a circle.
  • the rotation which the separator makes in the course of a rotation of the rotary piston is, depending on the design, preferably between 70 ° and 110 °, ie only about a quarter of a full circle.
  • the separator forms part of the housing wall, which delimits the displacement chamber.
  • the separator is designed as a drum valve, in which a body of the separator is laterally delimited by two, in particular circular, plates which have on their outer sides in each case an axle attachment, in particular an axle shaft or an axle bearing.
  • the separator also serves as an inlet valve, so that more
  • At least one outlet opening with at least one valve is provided.
  • the check valve opens as soon as the internal pressure in the displacement chamber exceeds the pressure on the other side of the valve.
  • a check valve and a preset or adjustable outlet valve may be provided, which is preset or adjustable, for example, to a pressure difference of 3 bar or higher.
  • a working pressure of between 6 and 10 bar or between 8 and 10 bar can be set, or higher.
  • the surface of the rotary piston is at least partially coated with Teflon, in particular hard Teflon, or at least partially has a labyrinth structure for generating a labyrinth effect. Since the rotary piston is positively guided, it is sufficient to provide the portions of the surface of the rotary piston with a corresponding coating or structure, which make a maximum approach to the boundary surface of the 5 Verdrängerraums during a revolution of the rotary piston. In the case of a Teflon or Hartteflon- coating part of the Teflon coating is removed in an initial phase, while the device enters. This creates minimum distances.
  • the principle of the labyrinth effect is based on the fact that a flat labyrinth structure is engraved into the surface of the rotary piston, with a depth of a few hundredths of a millimeter or less. In a rapid movement, this leads to a turbulent flow due to the irregular corrugated structure of the surface of a laminar flow through the gap between the rotary piston and the inner surface of the displacer gerraums, which opposes the flow through the gap a much higher resistance, so that leakage currents between the subspace are effectively prevented. o Additionally or alternatively, it is advantageously provided that the inner surface of the housing delimiting the displacement chamber and / or the surface of the separator are pressed against its outer surface. - -
  • Teflon in particular Hartteflon, coated or has a labyrinth structure to produce a labyrinth effect. It is also possible, on one side, for example, the inner wall of the displacement, to provide a labyrinth structure and on the other side, for example, the surface of the rotary piston, a Teflon coating.
  • a very accurate positioning is achieved with a prevention of play in the joints and bearings when the storage of the shaft axis of the eccentric shaft in an opening of the
  • Housing and / or the rotary piston on a cam of the eccentric shaft and / or a pin of the separator in a swivel eye of the rotary piston and / or a shaft of the separator in a journal box in the housing is a compressed ball bearing.
  • a feed-free solution is advantageously also achieved when the bearing of the shaft axis of the eccentric shaft in an opening of the housing and / or the rotary piston on a cam of the eccentric shaft and / or a pin of the separator in a swivel eye of the rotary piston and / or an axle shaft of the Separators is formed in an axle bearing in the housing in the form of a gunmetal sleeve, wherein in particular an engaging into the red brass sleeve pin or shaft is at least partially made of steel.
  • This combination of materials has the advantage that the gunmetal is self-lubricating and, in combination with steel, does not cause any galling that will damage the material.
  • Gunmetal is bronze, for example.
  • the housing of the device and / or the rotary piston and / or the separator consist at least predominantly of aluminum.
  • the term "at least predominantly existing" in the context of the invention means that less-loaded volume parts are used to reduce the weight of the made of aluminum or consist mainly of aluminum, while more heavily loaded parts, such as the bearings and joints, made of harder and more durable materials. In order to further reduce weight, it is also possible to manufacture individual components from even lighter materials which have a similar or higher stability.
  • the displacement chamber and the rotary piston are cylindrical. In this way, a particularly simple geometry is generated, which is also easy to manufacture and enables reliable production with particularly low tolerances.
  • the diameter of the rotary piston is less than 0.7 times, in particular less than 0.64 times the diameter of the displacement chamber.
  • Such conditions were previously unachievable in conventional rotary piston compressors. This also increases the efficiency and the power weight of the device. For example, this is
  • Power to weight ratio of a device according to the invention with a displacement volume of 0.3 I which generates a pressure of 8 to 10 bar at a flow rate of 600 l / min, only about one third or less of the power weight of a conventional Vorrich- device with the same features.
  • the displacement chamber advantageously has a device for adjusting the residual volume, in particular a threaded bore with a movable threaded rod adjustable therein.
  • the residual volume is the smallest possible volume at maximum compression. By virtue of the fact that this volume is If the threaded rod is changed, the compression ratio is also changed. An increase in the residual volume means a reduction in the compression ratio.
  • the device according to the invention is lubrication-free and oil-free in the displacement chamber.
  • the joints and bearings can be made ceramic or self-lubricating.
  • the bearings are preferably corrosion-resistant bearings that are permanently, so lifelong, oiled or greased and sealed for life.
  • the main axis is preferably sealed by means of one or more shaft sealing rings, that is, for example, steel-encapsulated rubber rings.
  • shaft sealing rings that is, for example, steel-encapsulated rubber rings.
  • the bearings run dry. These measures ensure that no oil or grease gets into the displacement chamber.
  • the object underlying the invention is also achieved by a pump for displacing a fluid with at least one device for compressing and / or displacing a fluid as described above.
  • a pump for displacing a fluid with at least one device for compressing and / or displacing a fluid as described above.
  • N is at least 2
  • a common, in particular one-piece or multi-part, eccentric shaft to compensate for imbalances is formed in that the rotary pistons have phase differences of, in particular multiples of, 3607N.
  • an internal combustion engine comprising a device for compressing a fluid, a combustion chamber, in which to generate a combustion or explosion compressed fluid from the device and a fuel are introduced, and a device for expanding the combustion product from the combustion chamber, which is further developed in that the device for compressing a fluid is a device according to the invention as described above.
  • This principle derives from the principle of the internal combustion engine, which is known, for example, from the diesel engine, in which the process steps of compression, exploitation (in the diesel engine) and expansion of the combustion products take place in a piston cylinder.
  • the device for expanding the combustion product is a device according to the invention as described above, which is operated in particular in reverse order, in particular, the opening which is closed by the separator 5, the outlet opening.
  • This has the advantage over known vane-type internal combustion engines operating with a similar thermodynamic cycle that the very hot combustion products, which can be hot above 2,000 ° C. and are under high pressure, as well as the force released during expansion, are not fragile Acting vane, but on a more robust rotary piston, which withstands the high temperature much better than the known cell blades of the vane machines.
  • the volume of the displacement chamber of the device for compressing a fluid is smaller than the volume of the displacement chamber of the device for expansion of the combustion product, in particular with a factoro 1: 2.5 to
  • This is advantageous for increasing the efficiency over known cylinder-piston-based internal combustion engines, such as the diesel engine, since this ratio is only 1: 1 due to the fact that the compression and expansion take place in the same piston cylinder.
  • the high residual pressure and the high residual temperature of the combustion products can not be used indirectly or indirectly to a limited extent in such internal combustion engines, while in the internal combustion engine according to the invention a significantly greater expansion is utilized.
  • a device in particular a check valve, an overflow valve or a valve synchronized with the rotation of the rotary piston, is arranged between the displacement chamber of the device for compressing a fluid and the combustion chamber and / or between the combustion chamber and the displacement chamber of the device for expansion of the combustion product, which prevents backflow of the fluid or combustion product from the combustion chamber into the device for compressing a fluid or from the device for expansion of the combustion product into the combustion chamber. This ensures that the process only runs in one direction.
  • At least one combustion product inlet opening in the combustion product expansion device is arranged circumferentially or in one side of the displacement chamber such that the eccentric shaft and the rotary piston relative to the inlet opening upon initiation of combustion Combustion product in a position of 40 ° to 160 °, in particular about 90 °, stands.
  • the degree refers to the angular position, within which the subspace of the displacer volume is included, which receives the fluid to be expanded. From this position, the rotary piston continues to move with expansion of the gas up to a 360 ° position corresponding to the 0 ° position.
  • the combustion chamber and / or the displacement of the device for expansion of the combustion product are provided with a lining which consists of a material which at temperatures up to more than 2,000 0 C. 1, in particular to more than 2,100 0 C, resistant - -
  • the device for compressing a fluid to a compression ratio of 100: 1 or greater, in particular up to 140: 1, is designed.
  • the device for compressing a fluid has at least one nozzle for introducing a fuel, in particular in a non-combustible mixing ratio, into the displacer space.
  • a fuel in particular in a non-combustible mixing ratio
  • Admixture of 2 vol .-% diesel to be compressed air which represents a mixing ratio that is not combustible at temperatures reached in diesel engines of about 1,800 0 C.
  • the fuel has a lubricating effect, which is desired in the internal combustion engine according to the invention.
  • the combustion chamber is preferably hollow spherical or has a substantially rounded shape, which ensures a uniform and rapid combustion in the entire volume of the combustion chamber.
  • Such an internal combustion engine according to the invention has about one quarter to one third of the weight, the size and the consumption compared to known internal combustion engines with cylinder pistons with the same power.
  • a compression of the intake air in the ratio 1: 100 to 1: 140 and an introduction of a fuel or fuel injection technology in the combustion chamber to the combustion temperatures of up to 2,000 or 2,100 0 C 0 C in which decompose nitrogen oxides even arise.
  • Suitable fuels are for example gas, Hydrogen, diesel, LPG, oils, fats, cereal dust or other combustible and especially pourable materials.
  • a non-combustible mixture of diesel and air is present in the compressor for lubrication, for example with 2% by volume of diesel, the full amount of diesel does not have to be injected in the combustion chamber.
  • a diesel-air mixture is combustible at at least 6 vol .-% diesel. At the achieved compression ratios, the mixture ignites in the combustion chamber by itself.
  • Possibilities to regulate the power and the operating point of the internal combustion engine according to the invention advantageously consist in the change of the residual volume of the devices for compression or expansion of a fluid or the combustion product and in a sequential or partial injection of the fuel in the combustion chamber or in the Displacement of the device for compressing a fluid.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view through the plane of rotation of a device according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic sectional view in a vertical plane through the device according to the invention according to FIG. 1, - -
  • FIG. 3a, b is a schematic frontal plan view and sectional view through a housing of a device according to the invention shown in FIG. 1,
  • FIG. 5a, b are schematic sectional views of the rotary piston and the separator of FIG. 4,
  • FIG. 6a-f show several schematic plan views of an inventive device according to FIG. 1 corresponding to different cycles of the rotary piston
  • Fig. 7 is a schematic sectional view through an internal combustion engine according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view through the plane of rotation of a device 1 according to the invention for compressing and / or displacing a fluid.
  • the device points at a
  • Housing 2 a displacer 3 on with a rotary piston 4, which is rotatably mounted on a cam 7 of an eccentric shaft 5 with shaft axis 6.
  • the rotary piston 4 On the surface 4 ', the rotary piston 4 has a swivel eye 8 into which a pin 9 of a separator 10 engages for an articulated connection.
  • the separator 10 has plates on its sides (see FIG. zugsziffer 10 ') having in the center axle shafts 11, which are rotatably mounted in axle bearings 12 (see Fig. 2) of the housing 2. Between the plates, the separator 10 has a body which, in cooperation with the rotary piston 4, divides the displacement chamber 3 into two partial spaces, namely a suction space 19 and a compression space 20.
  • the sheet of the separator 10 has a circular outer contour 13, which is equal to the crown radius in radius.
  • the inner contour 14 of the sheet of the separator 10 is also circular, but concave, and has a radius of curvature corresponding to the radius of the rotary piston 4. The sheet is therefore not completely flat, but sickle-shaped. It can be solid or hollow inside.
  • the housing 2 has an inlet opening 15 with a contoured
  • the separator 10 is rotatably supported so that the sheet of the separator 10 releases the input port 15 depending on its rotational status or closes.
  • the inlet opening 15 communicates with the suction chamber 19 in connection.
  • the second subspace, the compression space 20, communicates with an outlet opening 17 which has an outlet valve 18, for example a check valve or an overflow valve
  • Fig. 2 is a schematic sectional view in a vertical plane through the device according to the invention shown in FIG. 1.
  • the plane passes through the central horizontal axis in Fig. 1.
  • the two massive plates 10 'with the AchsSften 11 of the separator 10 can be seen.
  • a cover which is placed on the housing 2 to complete the displacement 3 also laterally.
  • a motor is connected to the shaft axis 6, not shown, the Len lenachse 6 rotates.
  • the shaft axis 6 has an eccentric or an eccentric shaft 5 on the displacement side end, on which eccentrically a cam 7 is arranged, on which the rotary piston 4 is mounted.
  • Both the mounting of the rotary piston 4 on the cam 7, the pin 9 on the swivel eye 8 and the axle shaft 11 of the separator 10 on the Achslagerung 12 in the housing 2 may be advantageously carried out in various ways.
  • Advantageous designs are pressed ball bearings, which suppress any play that is above 1/1000 mm.
  • Particularly low-friction are also combinations of steel pins with gun barrels, which are advantageously used for example at the articulated connection between the rotary piston 4 and separator 10, but also at other hinge brackets.
  • FIG. 3 a shows a housing 2 of a device 1 according to the invention in a frontal plan view of a housing 2.
  • the displacer space 3 is cylindrical, wherein the shaft axis 6 is arranged centrally, while the axis of rotation or axial bearing 12 of the separator 10 is arranged in a decentralized manner.
  • Fig. 3b is a schematic sectional view through the housing 2 shown in FIG. 3a, in which the depth ratios of the lateral wall of the housing 2 and the recess 22 for receiving the plate of the separator 10 are shown.
  • the bearings 23 and 24 for the shaft axis and the axle shaft 1 1 of the separator are shown.
  • FIGS. 4a and 4b show schematic frontal plan views of a rotary piston 4 and a separator 10 according to the invention.
  • the rotary piston 4 in Fig. 4a in addition to the surface 4 ', which is coated with Hartteflon example, the hinge eye 8 shown, the sides 25 of the rotary piston 4 of the rotary piston 4 and an opening 26 for a cam 7 of the eccentric 5 th.
  • Fig. 4b the separator 10 is shown with the sheet with the outer contour 13 and the inner contour 14 and the pin 9. Also shown is the side wall 27 of the separator 10. Center on the side wall 27 of the shaft 11 is shown.
  • FIGs. 5a and 5b are schematic sectional views of the _
  • Rotary piston 4 shown in FIG. 4a and the separator 10 shown in FIG. 4b It can be seen that the rotary piston 4 has a swivel eye 8, which accounts for only about half the depth of the rotary piston 4. Inside the rotary piston 4, an opening 26 for a cam 7 is shown and a side wall 25 of the rotary piston 4. It remains beyond the side wall 25, a cavity in which the eccentric shaft 5 has space for rotation.
  • Fig. 5b the plates 10 'with the side walls 27 of the separator 10, each having a shaft 11 are shown.
  • the sheet is shown without hatching between the plates 10 '.
  • the pin 9 has no connection with the surface body of the separator 10, wherein the surface body in turn has a recess there, where the rotary piston 4 has its hinge eye 8.
  • the depth of the recess on the separator 10 corresponds to the depth of the swivel eye 8.
  • the pin 9 extends through the swivel eye 8 completely through and protrudes slightly beyond the swivel eye 8 at the exiting end.
  • FIGS. 6 a to f show several schematic plan views of a device 1 according to the invention according to FIG. 1, the individual images corresponding to successive positions of the rotary piston 4.
  • a middle position is shown in which the eccentric shaft 5 and the rotary piston 4 with respect to the central shaft axis 6 in a 9 o'clock position or 270 ° position.
  • the rotary piston 4 is at a maximum distance from the inlet opening 15.
  • the separator 10 is rotated into a position drawn in at a maximum into the displacement chamber and releases the inlet opening 15.
  • the suction chamber 19 is therefore slightly larger _.
  • Fig. 6e are the eccentric shaft 5 and the rotary piston 4 in a slightly more advanced position, about a 4 o'clock position.
  • the surface of the rotary piston 4 now moves away from the inner contour 14 of the separator 10, while the inlet opening 15 is still closed.
  • the inlet opening 15 releases, filled with air or fluid. Since the remaining subspace 20 is reduced, the large subspace at this stage is a compression space 20.
  • Fig. 6f are eccentric shaft 5 and rotary piston 4 in a 6 o'clock position or 180 ° position.
  • the inlet opening 15 is free, so that with respect to the direction of rotation of the rotary piston 4 rear part space 19 is filled with air or fluid.
  • the volume of the compression space 20 decreases further.
  • FIG. 7 shows a schematic sectional illustration through an internal combustion engine 30 according to the invention.
  • a compressor 32, a unit with a combustion chamber 33 and an expander 34 are shown sequentially from left to right in FIG. 7.
  • Compressor 32 and expander 34 are in the manner described in FIGS. 1 to 6 Fashion executed.
  • the compressor 32 and the expander 34 thus have cylindrical displacement chambers 38 and 39, respectively, in which on a common camshaft 35, each with its own eccentric shafts (not shown) rotary pistons 36 and 37 are arranged in the manner described above eccentrically by the cylindrical Rotate displacement chambers 38 and 39, respectively.
  • the rotary pistons 36, 37 _ The rotary pistons 36, 37 _.
  • air inlet 40 By way of an air inlet 40, for example, air is sucked into the displacer space 38 of the compressor 32, compressed in the manner described above, preferably to a compression ratio of 100: 1 to 140: 1, and then through a transition line 41 and a spring-loaded overflow valve 43 directed into a spherical combustion chamber 33.
  • the sucked air is possibly already with a small
  • Loaded amount of fuel such as diesel, to effect lubrication and optionally to realize a sequential injection.
  • the combustion chamber 33 has an injector 45 for fuel, which is injected into the combustion chamber 33. Due to the high pressure prevailing in the combustion chamber 33, the mixture ignites by itself and burns at a very high temperature, preferably above 2,000 0 C, so that complete incineration is carried out comparison, avoiding harmful emissions such as nitrogen oxides. Due to the high temperatures, the inside of the combustion chamber 33 is lined with a high-temperature ceramic 46. In the illustrated case, the injection nozzle 45 is connected via a cam of the camshaft with the camshaft 35, which creates a force connection of expander 34 to the compressor 32. Thus, the injection timing can be set to the phases of the compressor 32 and the expander 34.
  • combustion chamber 33 and expander 34 opens. There, the combustion product flows into the displacement chamber 39 of the expander 34, which has a larger volume than the displacement chamber 38 of the compressor 32.
  • the ratio of the volumes of the displacement chambers 39 and 38 is advantageously in the range of 2.5: 1 to 3: 1 dependent from the operating point of the internal combustion engine 30.
  • the separator among others the transition line 42, which leads into the displacement chamber 39 of the expander 34, separates from the air outlet 47. A direct connection between the transition line 42 and the air outlet 47 is therefore not given. This also applies to the compressor 32, in which the air inlet 40 is also not directly connected to the transition line 41 from the compressor 32 to the combustion chamber 33.
  • the internal combustion engine 30 of the present invention because of its movement at high temperatures and pressures unreachable with conventional diesel engines, for example, uses high energy efficiency with light weight and small dimensions.
  • the construction of the invention is much more stable, both in terms of stability to the pressures and to the temperature.
  • the operating point can be adjusted in the internal combustion engine 30 according to the invention by realizing a sequential or partial injection and by changing the residual volumes of the compressor 32 and / or the expander 34 and thus changing the respective compression or expansion ratio. This can be done in the same way as above with respect to the device according to the invention for compression - -

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Abstract

Vorrichtung zum Verdichten, Verdrängen und/oder Expandieren eines Fluids mit einem Rotationskolben (4), der auf einer Exzenterwelle (5) drehbar gelagert in einem Verdrängerräum (3) angeordnet ist und in einer Rotationsebene, die sich senkrecht zu einer Wellenachse (6) einer Exzenterwelle erstreckt, rotierbar ist, wobei der Verdrängerraum von einer Innenfläche (2') eines Gehäuses begrenzt ist und durch den Rotationskolben und einen Separator (10) in zwei Teilräume variabler Größe unterteilbar ist, wobei der Separator eine kreisabschnittsförmige Außenkontur (13) aufweist und drehbar auf einer Drehachse (11, 12) gelagert ist, die mit dem Mittelpunkt des die Außenkontur des Separators umschreibenden Kreises zusammenfällt.

Description

Verdichtungsvorrichtung, Pumpe und Verbrennungsmotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verdichten, Verdrängen und/oder Expandieren eines Fluids mit einem Rotationskolben, der auf einer Exzenterwelle drehbar gelagert in einem Verdrängerraum angeordnet ist und in einer Rotationsebene, die sich senkrecht zu einer Wellenachse einer Exzenterwelle erstreckt, rotierbar ist, wobei der Verdrängerraum von einer Innenfläche eines Gehäuses begrenzt ist und durch den Rotationskolben und einen Separator in zwei Teilräume variabler Größe unterteilbar ist. Die Erfindung betrifft ferner eine Pumpe zur Verdrängung eines Fluids mit wenigs- tens einer Vorrichtung zum Verdichten und/oder Verdrängen eines
Fluids sowie einen Verbrennungsmotor.
Gattungsgemäße Rotationskolbenverdichter bzw. -verdränger umfassen einen, oft zylindrischen, Rotationskolben, der in einem, oft ebenfalls zylindrischen, Verdrängerraum exzentrisch rotiert, wobei der Rotationskolben mit der Innenwand des Verdrängerraums entweder dicht abschließt oder nur einen engen Zwischenspalt offen lässt, durch den wenig Fluid, also ein Gas oder eine Flüssigkeit, hindurchtreten kann. Zur Unterteilung des Verdrängerraums ist ein Separator, oftmals ein gerades oder gebogenes Flächenelement, vorgesehen, dass zum einen mit dem Rotationskolben und zum an- deren mit der Innenwand des Verdrängerraums Kontakt hat.
Im Laufe einer Umdrehung des Rotationskolbens im Verdrängerraum wird in einem größer werdenden Teilraum Fluid angesaugt und in einem kleiner werdenden Teilraum vorher angesaugtes Fluid ver- dichtet oder verdrängt. Im Punkt der größten Annäherung des Rotationskolbens an den Separator verschwindet der kleiner gewordene Teilraum im Wesentlichen völlig, und der größere Teilraum mit dem angesaugten Fluid füllt im Wesentlichen den gesamten Verdrängerraum aus. In der weiteren Rotation des Rotationskolbens wird die- ser Raum seinerseits zu einem Teilraum, in dem das angesaugte
Fluid verdichtet oder verdrängt wird, während sich ein neuer Teilraum auf der gegenüberliegenden Seite des Separators öffnet, der sich vergrößert und in den Fluid eingesaugt wird. Der vollständige Zyklus des Ansaugens und Verdrängens einer Fluidmenge erfordert daher zwei Umdrehungen des Rotationskolbens, wobei bei jeder
Umdrehung beide Halbzyklen gleichzeitig vorkommen.
Es sind verschiedene Arten der Realisierung von Rotationskolbenverdichtern bzw. -verdrängern vorgeschlagen worden, die sich in der Art der Ausführung und Befestigung des Separators unterscheiden. Bei Ausführungen mit geraden flächigen Separatoren sind die Separatoren entweder fest mit dem Rotationskolben verbunden und gleitend in der Innenwand des Verdrängerraums gelagert oder umgekehrt. Dabei haben sie gelenkig verbundenen oder schleifenden Kontakt mit dem Rotationskolben oder der Innenwand des Verdrängerraums. Andere Separatoren haben im Wesentlichen eine gebogene Form und sind gelenkig und/oder schleifend mit der Oberflä- .
che des Rotationskolbens und mit der Innenwand des Verdrängerraums verbunden.
Der Rotationskolbenkompressor gemäß EP 0 851 125 A1 weist ei- nen geraden und flachen Separator auf, der auf einem exzentrisch in einem Verdrängerraum rotierbaren zylindrischen Rotationskolben einstückig ausgebildet ist und vom Umfang des Rotationskolbens unter einem 90°-Winkel absteht. Der Separator ist in einem Schuh in der Wand des Verdrängerraums verschiebbar und drehbar gela- gert.
In US 6 409 488 B1 ist ein Umlaufkolbenverdichter mit einem zylindrischen Rotationskolben in einem zylindrischen Verdrängerraum mit einem geraden Separator offenbart, der federvorbelastet in der Ge- häusewand linear beweglich geführt wird. Der Separator greift in eine schlitzförmige Vertiefung in der Außenwand des zylindrischen Rotationskolbens ein und verhindert auf diese Weise eine vollständige Drehung des Rotationskolbens um seine Achse.
DE 43 15 602 A1 betrifft eine Schwingkolbenpumpe, bei der der zylindrische Kolben durch einen exzentrisch auf einer Pumpenwelle sitzenden Zapfen gebildet ist, auf dem ein Tragring frei drehbar ist. Der Tragring ist mittels eines beidseitig befestigten bogenförmigen Separators mit der Gehäusewand verbunden, so dass eine völlige Drehung des Tragrings am Gehäuse verhindert wird. In der Innenwand des Gehäuses ist eine Aussparung für den bogenförmigen Separator vorgesehen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Verdichten oder Verdrängen eines Fluids anzugeben, mittels der bei hohen Fördervolumina ein höherer Druck im Vergleich zum bekannten Stand der Technik erzielt werden kann, wobei außerdem ein möglichst wartungsfreier Betrieb erreicht werden soll. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe und einen Verbrennungsmotor anzugeben, die hohe Effizienz bieten und mechanisch einfach herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Verdichten, Verdrängen und/oder Expandieren eines Fluids mit einem Rotationskolben, der auf einer Exzenterwelle drehbar gelagert in einem Verdrängerraum angeordnet ist und in einer Rotationsebene rotier- bar ist, die sich senkrecht zu einer Wellenachse der Exzenterwelle erstreckt, wobei der Verdrängerraum von einer Innenfläche eines Gehäuses begrenzt ist und durch den Rotationskolben und einen Separator in zwei Teilräume variabler Größe unterteilbar ist, die dadurch weitergebildet ist, dass der Separator eine kreisabschnittsför- mige Außenkontur aufweist und drehbar auf einer Drehachse gelagert ist, die mit dem Mittelpunkt des die Außenkontur des Separators umschreibenden Kreises zusammenfällt.
Diese erfindungsgemäße Lösung beruht auf dem Grundgedanken, den Separator um einen externen Punkt drehbar zu lagern. Damit unterscheidet sich die erfindungsgemäße Lösung von bekannten Separatoren, die an wenigstens zwei Punkten des flächigen Separatorkörpers belastet werden, nämlich an der Berührungsstelle mit dem Rotationskolben und an der Schnittstelle mit dem Gehäuse der Vorrichtung. Dies schließt den Fall ein, dass statt einer gelenkigen
Verbindung nur ein schleifender Kontakt des Separators mit dem Rotationskolben vorgesehen ist. Bei den im Allgemeinen dünn ausgeführten Separatoren des Standes der Technik führt dies zu extremen Belastungen, da die Separatoren neben der Separation ei- nes Teilraumes mit hohem Fluiddruck und eines Teilraums mit niedrigem Fluiddruck außerdem auch noch einen Teil der Zwangsführung des Rotationskolbens übernehmen müssen oder bei schleifen- dem Kontakt mechanisch vorgespannt sind.
Der Teil des Separators, der die Unterteilung des Verdrängerraums in zwei Teilräume bewirkt, ist in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur mit dem Rotationskolben verbunden. Der flächige Teil des Separators wird nicht weiter belastet und muss nur die Druckdifferenz des Fluids in den Teilräumen aushalten. Die Spannungen, die durch die Zwangsführung entstehen, werden seitlich zur Drehachse des Separators abgeführt. Dieser seitliche Teil des Separators kann so stabil ausgeführt werden, dass höhere Belastungen aufgefangen werden können als im Stand der Technik. Die Drehachse des Separators ist exzentrisch im Verdrängerraum angeordnet. Eine exzentrische Anordnung bedeutet hierbei auch eine dezentrale Anordnung der Drehachse des Separators im Verdrängerraum.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist es, dass durch die Drehbarkeit des Separators um einen externen Punkt ein längerer Hebel bei gleichzeitig geringerer absoluter Bewegung des Separators erreicht wird als im Stand der Technik. Dadurch ist es möglich, den Rotati- onskolben im Verhältnis zum Verdrängerraum kleiner auszubilden, wodurch das aktive Volumen des Verdrängerraums bei gleichbleibender Baugröße vergrößert wird. Außerdem wird hierdurch die Belastung der beweglichen Teile vermindert.
Da der Rotationskolben im Verhältnis zum Verdrängerraum kleiner und leichter gebaut werden kann, verringern sich auch die mechanischen Vibrationen, die bei der Rotation des Rotationskolbens in der Vorrichtung auftreten. Dadurch ist es möglich, die Gelenke und Achslager schmiermittelfrei auszuführen. Beispiele davon sind, ins- besondere verpresste, Kugellager oder die Verwendung von selbstschmierenden Materialien wie beispielsweise Rotgusshülsen, die eine Lagerung von beispielsweise Stahlschäften erlauben, ohne dass sich die Materialien festfressen. Unter einem verpressten Kugellager wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Lager verstanden, dass idealerweise ohne Toleranz, jedenfalls mit äußerst geringer Toleranz, beispielsweise etwa 1 μm, verbaut ist und einen festen Sitz hat. Ein solchermaßen eingesetztes Lager ist nur mit
Kraftaufwand in seine Position bringbar. Es bietet auch in axialer Richtung guten Halt.
Unter einer Exzenterwelle wird im Rahmen der Erfindung jede kraft- und drehimpulsübertragende Welle verstanden, auf der ein Rotationskolben exzentrisch gelagert ist, so dass eine Rotation der Welle eine Rotation des Mittelpunktes des Rotationskolbens um die zentrale Drehachse der Exzenterwelle bewirkt. Die Teilräume sind im Rahmen der Erfindung ein Teilraum, der im Laufe einer Umdrehung der Exzenterwelle mit dem Rotationskolben, insbesondere unter Ansaugung von Fluid anwächst und ein zweiter Teilraum, der sich gleichzeitig verkleinert und Fluid verdrängt und/oder verdichtet. Diese Teilräume werden im Folgenden auch Ansaugraum und Verdichtungsraum genannt. Die Arbeitsrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung und/oder Verdrängung eines Fluids kann vorteilhafterweise auch umgekehrt werden.
Ebenfalls ist es vorteilhafterweise möglich, in einen Teilraum ein unter hohem Druck stehendes Fluid einzuleiten und seine Expansi- on zur Gewinnung von Arbeit zu benutzen. Im nachfolgenden Halbzyklus wird das expandierte Arbeitsgas ausgestoßen. In diesem Fall wird das Fluid in den zunächst kleinen Teilraum eingeführt, der sich im Laufe der Rotation des Rotationskolbens vergrößert, während sich nach der vollständigen Expansion der große Teilraum verklei- nert und das expandierte Fluid ausgestoßen wird. In diesem Falle werden die Teilräume im Rahmen der Erfindung als Expansionsraum und Ausstoßraum bezeichnet. Vorzugsweise ist der Separator an einem Endpunkt seiner kreisab- schnittsförmigen Außenkontur mit dem Umfang des Rotationskolbens gelenkig verbunden. Das hat den Vorteil, dass der vergleichs- weise flache Separator nur an einem Punkt direkt zwangsgeführt ist.
Der zweite Endpunkt des Separatorkörpers ist mit keinem weiteren Bauteil verbunden, so dass keinerlei Verbiegungskräfte auf den Separatorkörper wirken und dieser sich nicht verformt. Stattdessen lagert der Separator auf einer Drehachse, die im Zentrum der kreis- förmigen Außenkontur ist, so dass im Laufe einer Rotationsbewegung des Rotationskolbens der Separator einen Teil eines Kreises abfährt. Die Drehung, die der Separator im Laufe einer Rotation des Rotationskolbens macht, beträgt, abhängig von der Ausführung, vorzugsweise zwischen 70° und 110°, also nur etwa ein Viertel ei- nes Vollkreises. Im Punkt der nächsten Annäherung des Rotationskolbens an den Separator bildet der Separator einen Teil der Gehäusewand, die den Verdrängerraum begrenzt.
Vorzugsweise ist der Separator als Trommelventil ausgebildet, bei dem ein Körper des Separators seitlich von zwei, insbesondere runden, Tellern begrenzt wird, die an ihren Außenseiten jeweils eine Achsbefestigung, insbesondere einen Achsschaft oder ein Achslager, aufweisen. Dies stellt eine einfache und sehr stabile Möglichkeit der Ausbildung des Separators dar, wobei erfindungsgemäß unter dem Körper des Separators der flächige Teil des Separators zwischen den seitlichen Tellern verstanden wird, mittels dessen der Verdrängerraum in zwei Teilräume unterteilbar ist.
Wenn vorzugsweise wenigstens eine Einlassöffnung vorgesehen ist, die mittels der Außenkontur des Separators verschließbar ist, dient der Separator gleichzeitig als Einlassventil, so dass weitere
Bauteile entfallen können und eine einfache Konstruktion gewähr- leistet ist. Im umgekehrten Fall, dass die Vorrichtung zur Expansion eines unter hohem Druck stehenden Fluids verwendet wird, ist es vorteilhaft, wenn eine Auslassöffnung vorgesehen ist, die mittels der Außenkontur des Separators verschließbar ist. Eine vorteilhafte gu- te Dichtigkeit wird in beiden Fällen erreicht, wenn die Einlassöffnung bzw. Auslassöffnung in der Innenwand des den Verdrängerraum begrenzenden Gehäuses als kreisabschnittsförmige Aussparung ausgebildet ist, deren Radius und Mittelpunkt mit dem Radius und dem Mittelpunkt des Kreises im Wesentlichen übereinstimmen, der die Außenkontur des Separators umschreibt. Damit liegen am
Ort der Einlassöffnung die Außenkontur des Separators und die Innenkontur des Gehäuses großflächig eng beieinander, wodurch ein Austausch des Fluids zwischen dem Verdrängerraum und der Umgebung bzw. dem Einlass wirksam verhindert wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist wenigstens eine Auslassöffnung mit wenigstens einem Ventil, insbesondere einem Rückschlagventil, vorgesehen. Das Rückschlagventil öffnet sich, sobald der Innendruck im Verdrängerraum den Druck jenseits des Ventils über- steigt. Anstelle eines Rückschlagventils kann auch ein voreingestelltes oder einstellbares Auslassventil vorgesehen sein, das beispielsweise auf einen Druckunterschied von 3 bar oder höher voreingestellt oder einstellbar ist. Je nach Anwendung kann beispielsweise ein Arbeitsdruck zwischen 6 und 10 bar oder zwischen 8 und 10 bar eingestellt werden, oder höher.
Durch die einfache Konstruktion und die vergleichsweise kleinen Ausmaße des Rotationskolbens treten vergleichsweise kleine Kräfte auf, die von den Lagern, in denen der Rotationskolben und der Se- parator gelagert sind, aufgefangen werden. Dadurch ist es möglich, den Rotationskolben mit sehr geringen Toleranzen an der Innenwand des Verdrängerraums berührungsfrei entlangzuführen. Mit ein- fachen Mitteln sind Abstände und Toleranzen von ca. 1/100 mm, mit etwas mehr Aufwand bis hin zu 1 μm erreichbar. Durch diese geringen Toleranzen werden Leckströme zwischen den veränderlichen Teilräumen minimiert.
5
Um solche Leckströme noch weiter zu minimieren, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Oberfläche des Rotationskolbens wenigstens abschnittsweise mit Teflon, insbesondere Hartteflon, beschichtet ist oder wenigstens abschnittsweise eine Labyrinth-Struktur zur Erzeu-o gung eines Labyrinth-Effekts aufweist. Da der Rotationskolben zwangsgeführt ist, ist es ausreichend, die Abschnitte der Oberfläche des Rotationskolbens mit einer entsprechenden Beschichtung oder Struktur zu versehen, die im Laufe einer Umdrehung des Rotationskolbens, eine maximale Annäherung an die Begrenzungsfläche des5 Verdrängerraums vollziehen. Im Falle einer Teflon- oder Hartteflon- beschichtung wird in einer Anfangsphase ein Teil der Teflonbe- schichtung abgetragen, während die Vorrichtung sich einläuft. So werden minimale Abstände erzeugt. Das Prinzip des Labyrinth- Effekts beruht darauf, dass in die Oberfläche des Rotationskolbenso eine flache Labyrinth-Struktur eingraviert wird, mit einer Tiefe von wenigen Hundertstel Millimetern oder weniger. Bei einer schnellen Bewegung führt dies dazu, dass aufgrund der unregelmäßig geriffelten Struktur der Oberfläche aus einer laminaren Strömung durch den Spalt zwischen Rotationskolben und Innenfläche des Verdrän-5 gerraums eine turbulente Strömung wird, die der Strömung durch den Spalt einen wesentlich höheren Widerstand entgegensetzt, so dass Leckströme zwischen dem Teilraum effektiv unterbunden werden. o Zusätzlich oder alternativ dazu ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Innenfläche des den Verdrängerraum begrenzenden Gehäuses und/oder die Oberfläche des Separators an seiner Außen- - -
kontur mit Teflon, insbesondere Hartteflon, beschichtet ist oder eine Labyrinth-Struktur zur Erzeugung eines Labyrinth-Effekts aufweist. Es ist auch möglich, auf einer Seite, beispielsweise der Innenwand des Verdrängerraums, eine Labyrinth-Struktur vorzusehen und auf der anderen Seite, beispielsweise der Oberfläche des Rotationskolbens, eine Teflonbeschichtung.
Vorteilhafterweise wird eine sehr genaue Positionierung mit einer Vermeidung von Spiel in den Gelenken und Lagern erzielt, wenn die Lagerung der Wellenachse der Exzenterwelle in einer Öffnung des
Gehäuses und/oder des Rotationskolbens auf einem Nocken der Exzenterwelle und/oder eines Stifts des Separators in einer Drehgelenköse des Rotationskolbens und/oder eines Achsschafts des Separators in einem Achslager im Gehäuse ein verpresstes Kugellager ist. Eine fraßfreie Lösung wird vorteilhafterweise ebenfalls erreicht, wenn die Lagerung der Wellenachse der Exzenterwelle in einer Öffnung des Gehäuses und/oder des Rotationskolbens auf einem Nocken der Exzenterwelle und/oder eines Stifts des Separators in einer Drehgelenköse des Rotationskolbens und/oder eines Achs- Schafts des Separators in einem Achslager im Gehäuse in Form einer Rotgusshülse ausgebildet ist, wobei insbesondere ein in die Rotgusshülse eingreifender Stift oder Schaft wenigstens teilweise aus Stahl besteht. Diese Kombination von Werkstoffen hat den Vorteil, dass das Rotguss selbstschmierend ist und in Kombination mit Stahl kein Fraß auftritt, bei dem das Material beschädigt wird. Rotguss ist beispielsweise Bronze.
Vorzugsweise bestehen das Gehäuse der Vorrichtung und/oder der Rotationskolben und/oder der Separator wenigstens überwiegend aus Aluminium. Dabei wird unter dem Begriff „wenigstens überwiegend bestehend" im Rahmen der Erfindung verstanden, dass weniger belastete Volumenteile zur Verringerung des Gewichts der Vor- richtung aus Aluminium bestehen oder überwiegend aus Aluminium bestehen, während stärker belastete Teile, wie beispielsweise die Lager und Gelenke, aus härteren und dauerhafteren Materialien bestehen. Um Gewicht weiter zu reduzieren ist es auch möglich, ein- zelne Komponenten aus noch leichteren Werkstoffen, die eine ähnliche oder höhere Stabilität besitzen, zu fertigen.
Vorteilhafterweise sind der Verdrängerraum und der Rotationskolben zylindrisch. Auf diese Weise wird eine besonders einfache Geometrie erzeugt, die auch fertigungstechnisch einfach ist und eine zuverlässige Fertigung mit besonders geringen Toleranzen ermöglicht.
Um ein großes Volumen verdichten bzw. verdrängen zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Durchmesser des Rotationskolbens weniger als das 0,7-fache, insbesondere weniger als das 0,64- fache des Durchmessers des Verdrängerraums beträgt. Solche Verhältnisse waren bei herkömmlichen Rotationskolbenverdichtern bislang nicht erreichbar. Damit wird auch die Effizienz und das Leis- tungsgewicht der Vorrichtung erhöht. Beispielsweise beträgt das
Leistungsgewicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Verdrängerraumvolumen von 0,3 I, die bei eine Fördermenge von 600 l/min einen Druck von 8 bis 10 bar erzeugt, nur ca. ein Drittel oder weniger des Leistungsgewichts einer herkömmlichen Vorrich- tung mit den gleichen Leistungsmerkmalen.
Damit das Verdichtungsverhältnis eingestellt werden kann, weist der Verdrängerraum vorteilhafterweise eine Einrichtung zur Einstellung des Residualvolumens auf, insbesondere eine Gewindebohrung mit darin einstellbarer beweglicher Gewindestange. Das Residualvolumen ist dabei das kleinstmöglich erreichbare Volumen bei maximaler Verdichtung. Dadurch, dass dieses Volumen mittels der Bewe- gung der Gewindestange verändert wird, wird auch das Verdichtungsverhältnis verändert. Eine Vergrößerung des Residualvolumens bedeutet dabei eine Verringerung des Verdichtungsverhältnisses.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Verdrängerraum schmierungsfrei und ölfrei. Die Gelenke und Lager können keramisch oder selbstfettend ausgeführt sein. Die Lager sind vorzugsweise korrosionsbeständige Lager, die permanent, also lebenslang, geölt oder gefettet und lebenslang gedichtet sind. Das Hauptlager an der
Hauptachse ist vorzugsweise mittels eines oder mehrerer Wellen- dichtringe, also beispielsweise stahlgekapselten Gummiringen, abgedichtet. Vorteilhafterweise laufen die Lager trocken. Mit diesen Maßnahmen wird sichergestellt, dass kein Öl oder Schmierfett in den Verdrängerraum gelangt.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch gelöst durch eine Pumpe zur Verdrängung eines Fluids mit wenigstens einer Vorrichtung zum Verdichten und/oder Verdrängen eines Fluids wie oben beschrieben. Insbesondere ist vorzugsweise vorgesehen, dass eine ganzzahlige Anzahl N Vorrichtungen zum Verdichten und/oder Verdrängen eines Fluids axial fluchtend in Serie nebeneinander angeordnet sind, wobei N wenigstens 2 ist, wobei eine gemeinsame, insbesondere einteilige oder mehrteilige, Exzenterwelle zum Ausgleich von Unwuchten so ausgebildet ist, dass die Rotationskolben Phasenunterschiede von, insbesondere Vielfachen von, 3607N aufweisen. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich die Unwuchten der einzelnen Vorrichtungen in der Summe aufheben.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch einen Verbrennungsmotor, umfassend eine Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids, eine Brennkammer, in die zur Erzeugung einer Verbrennung oder Explosion verdichtetes Fluid aus der Vorrichtung und ein Brennstoff einleitbar sind, und eine Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts aus der Brennkammer, der dadurch weitergebildet ist, dass die Vorrichtung zur Verdichtung ei- nes Fluids eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie oben beschrieben ist. Dieses Prinzip kehrt von dem Prinzip des Kolbenverbrennungsmotors ab, der beispielsweise aus dem Dieselmotor bekannt ist, bei dem die Verfahrensschritte des Verdichtens, Explodierens bzw. Verbrennens (beim Dieselmotor) und Expandierens der Ver- brennungsprodukte in einem Kolbenzylinder stattfinden. Da bei dem
Verfahren, das in dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor stattfindet, Kompression, Explosion oder Verbrennung und Expansion in verschiedenen Räumen stattfinden, sind höhere Verdichtungen und höhere Verbrennungstemperaturen, etwa oberhalb von 2000 0C, erreichbar, wodurch sowohl die Ausbeute an Kraftgewinnung optimiert wird als auch der Ausstoß von schädlichen Verbrennungsprodukten, insbesondere NOx, minimiert wird.
Bei Verbrennungstemperaturen zwischen 1700 0C und 1900 °C steigt der Anteil an NOx exponentiell an und erreicht bei 1950 0C ein
Anteil von über 1 Vol.-% der gasförmigen Verbrennungsprodukte. Bei höheren Verbrennungstemperaturen sinkt der Anteil des metastabilen NOx wieder ab und verschwindet bei Temperaturen oberhalb von ca. 2080 0C. Bei solch hohen Temperaturen entfällt daher die Notwendigkeit einer katalytischen Nachbehandlung des NOx im
Abgas.
Wegen der höheren erreichbaren Dichten und Temperaturen verläuft auch die Explosion des Brennstoff-Luft-Gemisches sehr schnell, so dass wesentlich höhere Drehzahlen erreicht werden können als beim herkömmlichen Dieselmotor. Vorteilhafterweise ist auch die Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts eine erfindungsgemäße Vorrichtung wie oben beschrieben, die insbesondere in umgekehrter Reihenfolge betrieben wird, wobei insbesondere die Öffnung, die durch den Separator 5 verschließbar ist, die Ausgangsöffnung ist. Dies hat gegenüber bekannten Flügelzellenverbrennungsmotoren, die mit einem ähnlichen thermodynamischen Kreislauf arbeiten, den Vorteil, dass die sehr heißen Verbrennungsprodukte, die über 2.0000C heiß sein können und unter hohem Druck stehen, sowie die bei der Expansion frei-o werdende Kraft nicht auf fragile Flügelzellen einwirken, sondern auf einen robusteren Rotationskolben, der der hohen Temperatur wesentlich besser standhält als die bekannten Zellenflügel der Flügelzellenmaschinen. 5 Um den thermodynamischen Kreislauf des Verbrennungsmotors optimal auszunutzen, ist es von Vorteil, wenn das Volumen des Verdrängerraums der Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids kleiner ist als das Volumen des Verdrängerraums der Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts, insbesondere mit einem Faktoro 1 : 2,5 bis 1 : 3. Dies ist zur Effizienzsteigerung gegenüber bekannten zylinderkolbenbasierten Verbrennungsmotoren wie dem Dieselmotor von Vorteil, da dieses Verhältnis aufgrund der Tatsache, dass die Kompression und Expansion im selben Kolbenzylinder stattfinden, lediglich 1 : 1 beträgt. Der hohe Restdruck und die hohe Rest-5 temperatur der Verbrennungsprodukte können bei solchen Verbrennungsmotoren nicht oder nur in geringem Maße indirekt genutzt werden, während bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor eine wesentlich stärkere Expansion ausgenutzt wird. Die entsprechenden Verbrennungsgase stehen beim erfindungsgemäßen Ver-o brennungsmotor nach der vollständigen Expansion unter einem wesentlich niedrigeren Druck und einer niedrigeren Temperatur als bei Zylinderkolbenmotoren. Vorzugsweise ist zwischen dem Verdrängerraum der Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids und der Brennkammer und/oder zwischen der Brennkammer und dem Verdrängerraum der Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsproduktes eine Einrichtung, insbesondere ein Rückschlagventil, ein Überströmventil oder ein mit der Drehung des Rotationskolbens synchronisiertes Ventil, angeordnet, die ein Zurückströmen des Fluids oder des Verbrennungsprodukts aus der Brennkammer in die Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids bzw. aus der Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts in die Brennkammer verhindert. Damit wird sichergestellt, dass der Prozess nur in eine Richtung läuft.
Für die Ausnutzung der Expansion der Verbrennungsprodukte ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Einlassöffnung für das Verbrennungsprodukt in der Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts im Umfang oder in einer Seite des Verdrängerraums so angeordnet ist, dass die Exzenterwelle und der Rotationskolben im Verhältnis zur Einlassöffnung bei Einleitung des Verbrennungspro- dukts in einer Stellung von 40° bis 160°, insbesondere etwa 90°, steht. Die Gradangabe bezieht sich dabei auf die Winkelposition, innerhalb derer der Teilraum des Verdrängervolumens eingeschlossen ist, der das zu expandierende Fluid aufnimmt. Von dieser Position bewegt sich der Rotationskolben weiter unter Expansion des Gases bis hin zu einer 360°-Stellung, die der 0°-Stellung entspricht.
Um thermodynamisch und abgastechnisch günstige hohe Temperaturen realisieren zu können, ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Brennkammer und/oder der Verdrängerraum der Vorrichtung zur Expansion des Verbrennungsprodukts mit einer Auskleidung versehen sind, die aus einem Material besteht, das bei Temperaturen bis mehr als 2.0000C1 insbesondere bis mehr als 2.1000C, beständig - -
ist, insbesondere aus Hochtemperatur-Keramik.
Dabei ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids auf ein Verdichtungsverhältnis von 100 : 1 oder größer, insbesondere bis zu 140 : 1 , ausgelegt ist.
Weiter ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids wenigstens eine Düse zum Einleiten eines Brennstoffs, insbesondere in einem nicht brennfähigen Mischungs- Verhältnis, in den Verdrängerraum aufweist. Ein Beispiel ist die
Beimischung von 2 Vol.-% Diesel zu verdichtender Luft, was ein Mischungsverhältnis darstellt, das bei in Dieselmotoren erreichten Temperaturen von ca. 1.800 0C nicht brennbar ist. Der Brennstoff hat jedoch eine schmierende Wirkung, die beim erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor gewünscht ist. Um zu verhindern, dass das
Gemisch bei sehr hohen Drücken und Temperaturen verbrennt, kann beispielsweise Wasser beigemengt werden, was die Verbrennung des Gemisches hemmt.
Die Brennkammer ist vorzugsweise hohlkugelförmig oder hat eine im Wesentlichen abgerundete Form, die eine gleichmäßige und schnelle Verbrennung im gesamten Volumen der Brennkammer sicherstellt.
Ein solcher erfindungsgemäßer Verbrennungsmotor hat gegenüber bekannten Verbrennungsmotoren mit Zylinderkolben bei gleicher Leistung etwa ein Viertel bis ein Drittel des Gewichts, der Größe und des Verbrauchs. Bei einer Komprimierung der angesaugten Luft im Verhältnis 1 : 100 bis 1 : 140 und einer Einleitung bzw. Einsprit- zung eines Brennstoffs in die Brennkammer ergeben sich Brenntemperaturen von bis zu 2.0000C oder 2.1000C, bei denen selbst Stickoxide zerfallen. Geeignete Kraftstoffe sind beispielsweise Gas, Wasserstoff, Diesel, Autogas, öle, Fette, Getreidestaub oder andere brennbare und insbesondere schüttbare Materialien.
Wenn beispielsweise zur Schmierung ein nicht brennfähiges Ge- misch von Diesel und Luft im Kompressor vorhanden ist, beispielsweise mit 2 Vol.-%-Anteil von Diesel, muss in der Brennkammer nicht mehr die volle Menge an Diesel eingespritzt werden. Ein Diesel-Luftgemisch ist bei mindestens 6 Vol.-% Dieselanteil brennfähig. Bei den erreichten Verdichtungsverhältnissen entzündet sich das Gemisch in der Brennkammer von selbst.
Möglichkeiten, die Leistung und den Arbeitspunkt des erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors zu regulieren, bestehen vorteilhafterweise in der Änderung der Residualvolumen der Vorrichtungen zur Verdichtung bzw. zur Expansion eines Fluids bzw. des Verbrennungsprodukts sowie in einer sequentiellen oder partiellen Einspritzung des Brennstoffs in die Brennkammer bzw. in den Verdrängerraum der Vorrichtung zur Verdichtung eines Fluids.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung durch die Rotationsebene einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung in einer senkrech- ten Ebene durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 , - -
Fig. 3a, b eine schematische frontale Draufsicht auf und Schnittdarstellung durch ein Gehäuse einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 4a, b schematische frontale Draufsichten auf einen Rotationskolben und einen Separator gemäß der Erfindung,
Fig. 5a, b schematische Schnittdarstellungen des Rotationskolbens und des Separators gemäß Fig. 4,
Fig. 6a-f mehrere schematische Draufsichten auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 entsprechend verschiedenen Zyklen des Rotationskolbens, und
Fig. 7 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor.
In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente bzw. entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern ver- sehen, so dass von einer entsprechenden erneuten Vorstellung abgesehen wird.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch die Rotationsebene einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zum Verdichten und/oder Verdrängen eines Fluids. Die Vorrichtung weist an einem
Gehäuse 2 einen Verdrängerraum 3 auf mit einem Rotationskolben 4, der auf einem Nocken 7 einer Exzenterwelle 5 mit Wellenachse 6 drehbar gelagert ist. An der Oberfläche 4' weist der Rotationskolben 4 eine Drehgelenköse 8 auf, in die für eine gelenkige Verbindung ein Stift 9 eines Separators 10 eingreift.
Der Separator 10 weist an seinen Seiten Teller auf (vgl. Fig. 2, Be- zugsziffer 10'), die im Zentrum jeweils Achsschäfte 11 aufweisen, die in Achslagerungen 12 (vgl. Fig. 2) des Gehäuses 2 drehbar gelagert sind. Zwischen den Tellern weist der Separator 10 einen Körper auf, der in Zusammenarbeit mit dem Rotationskolben 4 den Verdrängerraum 3 in zwei Teilräume, nämlich einen Ansaugraum 19 und einen Verdichtungsraum 20, unterteilt. Der Flächenkörper des Separators 10 weist eine kreisförmige Außenkontur 13 auf, der im Radius gleich dem Tellerradius ist. Die Innenkontur 14 des Flächenkörpers des Separators 10 ist ebenfalls kreisförmig, jedoch konkav, und weist einen Krümmungsradius auf, der dem Radius des Rotationskolbens 4 entspricht. Der Flächenkörper ist daher nicht vollständig flach, sondern sichelförmig. Er kann massiv ausgebildet sein oder innen hohl.
Das Gehäuse 2 weist eine Einlassöffnung 15 mit einer konturierten
Seite 16 an der Innenwand 2' des Gehäuses 2 auf, wobei die Kontu- rierung eine im Querschnitt kreisförmige Konturierung ist, die in Radius und Position mit der Außenkontur 13 des Separators 10 übereinstimmt. Damit ist der Separator 10 drehbar so gelagert, dass der Flächenkörper des Separators 10 die Eingangsöffnung 15 abhängig von seinem Rotationsstatus freigibt oder verschließt. Die Eingangsöffnung 15 steht mit dem Ansaugraum 19 in Verbindung. Der zweite Teilraum, der Verdichtungsraum 20, steht mit einer Auslassöffnung 17 in Verbindung, die ein Auslassventil 18 aufweist, beispielsweise ein Rückschlagventil oder ein Überströmventil
Die Oberfläche 4' des Rotationskolbens 4 kann in den Teilen, die mit der Innenwand 2' des Gehäuses 2 zusammenwirken, um die Teilräume 19 und 20 voneinander zu trennen, mit Hartteflon be- schichtet sein, das in einer Anlaufphase sich teilweise abreibt und durch die Eingangs- bzw. Ausgangsöffnung 15 bzw. 17 entfernt wird. Die Gehäuseinnenwand 2' kann mit einem Labyrinthmuster -
zur Erzeugung eines Labyrintheffekts, das einen Fluidaustausch zwischen den Teilvolumen 19, 20 aufgrund produzierter turbulenter Strömung reduziert, versehen sein. Es sind auch andere Kombinationen von nur Labyrinthstrukturen oder nur Teflon möglich. Das Gleiche gilt für die Außenkontur 13 des Separators 10.
In Fig. 2 ist eine schematische Schnittdarstellung in einer senkrechten Ebene durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt. Die Ebene verläuft durch die zentrale horizontale Achse in Fig. 1. In dieser Darstellung sind die beiden massiven Teller 10' mit den Achsschäften 11 des Separators 10 erkennbar. Nicht dargestellt ist ein Deckel, der auf das Gehäuse 2 aufgesetzt wird, um den Verdrängerraum 3 auch seitlich abzuschließen. An die Wellenachse 6 ist nicht dargestellt ein Motor angeschlossen, der die WeI- lenachse 6 dreht. Die Wellenachse 6 weist am verdrängerraumseiti- gen Ende einen Exzenter oder eine Exzenterwelle 5 auf, auf der exzentrisch ein Nocken 7 angeordnet ist, auf dem der Rotationskolben 4 gelagert ist.
Sowohl die Lagerung des Rotationskolbens 4 auf dem Nocken 7, des Stiftes 9 auf der Drehgelenköse 8 als auch des Achsschafts 11 des Separators 10 auf der Achslagerung 12 im Gehäuse 2 kann vorteilhaft auf verschiedene Weise ausgeführt sein. Vorteilhafte Ausführungen sind verpresste Kugellager, die jegliches Spiel unterdrü- cken, das oberhalb von 1/1000 mm ist. Besonders reibungsarm sind auch Kombinationen aus Stahlstiften mit Rotgusshülsen, die beispielsweise vorteilhafterweise an der Gelenkverbindung zwischen Rotationskolben 4 und Separator 10 einsetzbar sind, aber auch an anderen Drehgelenkhalterungen.
In Fig. 3a ist ein Gehäuse 2 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 in einer frontalen Aufsicht auf ein Gehäuse 2 schematisch darge- - -
stellt. Neben dem Gehäuse 2 und dessen Innenwand 2', das beispielsweise eine Teflonbeschichtung oder eine Labyrinthstruktur aufweist, sind eine Öffnung 21 für eine Wellenachse sowie eine Aussparung oder Vertiefung 22 mit einer weiteren Vertiefung, näm- lieh einer Achslagerung 12, dargestellt. Es ist deutlich erkennbar, dass in der gezeigten vorteilhaften Ausführungsform der Verdrängerraum 3 zylindrisch ist, wobei die Wellenachse 6 zentral angeordnet ist, während die Drehachse bzw. Achslagerung 12 des Separators 10 dezentral angeordnet ist.
In Fig. 3b ist eine schematische Schnittdarstellung durch das Gehäuse 2 gemäß Fig. 3a dargestellt, in der die Tiefenverhältnisse der seitlichen Wand des Gehäuses 2 und der Vertiefung 22 zur Aufnahme der Teller des Separators 10 dargestellt sind. Die Lager 23 und 24 für die Wellenachse bzw. den Achsschaft 1 1 des Separators
10 sind vorteilhafterweise verpresste Kugellager oder Rotgusshülsen. Die Auslassöffnung 17 ist ebenfalls dargestellt.
Die Fig. 4a und 4b zeigen schematische frontale Draufsichten auf einen Rotationskolben 4 und einen Separator 10 gemäß der Erfindung. Beim Rotationskolben 4 in Fig. 4a ist neben der Oberfläche 4', die beispielsweise mit Hartteflon beschichtet ist, die Drehgelenköse 8 dargestellt, die Seiten 25 des Rotationskolbens 4 des Rotationskolbens 4 sowie eine Öffnung 26 für einen Nocken 7 der Exzen- terwelle 5.
In Fig. 4b ist der Separator 10 mit dem Flächenkörper mit der Außenkontur 13 und der Innenkontur 14 gezeigt sowie dem Stift 9. Ebenfalls dargestellt ist die Seitenwand 27 des Separators 10. Zent- ral auf der Seitenwand 27 ist der Achsschaft 11 dargestellt.
In den Fig. 5a und 5b sind schematische Schnittdarstellungen des _
Rotationskolbens 4 gemäß Fig. 4a und des Separators 10 gemäß Fig. 4b dargestellt. Es ist erkennbar, dass der Rotationskolben 4 eine Drehgelenköse 8 aufweist, die nur etwa die Hälfte der Tiefe des Rotationskolbens 4 ausmacht. Im Inneren des Rotationskolbens 4 ist eine Öffnung 26 für einen Nocken 7 dargestellt sowie eine Seitenwand 25 des Rotationskolbens 4. Es verbleibt jenseits der Seitenwand 25 ein Hohlraum, in dem die Exzenterwelle 5 Freiraum zur Rotation hat.
In Fig. 5b sind die Teller 10' mit den Seitenwänden 27 des Separators 10 mit jeweils einem Achsschaft 11 dargestellt. Der Flächenkörper ist ohne Schraffur zwischen den Tellern 10' dargestellt. Der Stift 9 hat keine Verbindung mit dem Flächenkörper des Separators 10, wobei der Flächenkörper seinerseits eine Aussparung dort auf- weist, wo der Rotationskolben 4 seine Drehgelenköse 8 aufweist.
Die Tiefe der Aussparung am Separator 10 entspricht der Tiefe der Drehgelenköse 8. Der Stift 9 reicht durch die Drehgelenköse 8 vollständig hindurch und ragt am austretenden Ende etwas über die Drehgelenköse 8 hinaus.
Die Fig. 6a bis f zeigen mehrere schematische Draufsichten auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 , wobei die Einzelbilder aufeinander folgenden Positionen des Rotationskolbens 4 entsprechen.
In Fig. 6a ist eine mittlere Position dargestellt, in der die Exzenterwelle 5 und der Rotationskolben 4 gegenüber der zentralen Wellenachse 6 in einer 9 Uhr-Position oder 270°-Position stehen. Damit befindet sich der Rotationskolben 4 in einer maximalen Entfernung zur Einlassöffnung 15. Dadurch ist der Separator 10 in eine maximal in den Verdrängerraum eingezogene Stellung rotiert und gibt die Einlassöffnung 15 frei. Der Ansaugraum 19 ist daher etwas größer _ .
als der Verdichtungsraum 20.
In Fig. 6b ist die Bewegung der Exzenterwelle 5 und des Rotationskolbens 4 in Uhrzeigerrichtung fortgeschritten. Exzenterwelle 5 und Rotationskolben 4 stehen nunmehr in einer 12 Uhr-Position oder 0°-
Position. Durch die Bewegung des Rotationskolbens 4 auf die Eingangsöffnung 15 zu ist der Flächenkörper des Separators 10 soweit zurückrotiert worden, dass nunmehr die Einlassöffnung 15 vollständig abgedeckt ist und in den nunmehr großen Ansaugraum keine weitere Luft oder kein weiteres Fluid angesaugt wird. Gleichzeitig ist der Verdichtungsraum 20 wesentlich kleiner geworden.
In Fig. 6c haben sich die Exzenterwelle 5 und der Rotationskolben 4 in eine 45°-Position im Uhrzeigersinn weiterbewegt, so dass nun- mehr der Rotationskolben der Auslassöffnung 17 stark angenähert hat. Der Verdichtungsraum ist minimiert. Gleichzeitig ist in dieser Position die Einlassöffnung 15 noch immer durch den Separator 10 vollständig abgedichtet.
In Fig. 6d haben sich die Exzenterwelle 5 und der Rotationskolben 4 nochmals um 45° weiterbewegt, so dass sie sich nunmehr in einer 3 Uhr-Position oder 90°-Position befinden. Der Rotationskolben 4 hat die Einlassöffnung 17 freigegeben. Es ist auch in dieser Stellung keine Unterscheidung zweier Teilräume des Verdrängerraums 3 möglich.
In Fig. 6e befinden sich die Exzenterwelle 5 und der Rotationskolben 4 in einer etwas weiter fortgeschrittenen Stellung, ca. einer 4 Uhr-Stellung. Die Oberfläche des Rotationskolbens 4 bewegt sich nunmehr von den Innenkontur 14 des Separators 10 weg, während jedoch die Einlassöffnung 15 noch stets abgeschlossen ist. Zwischen der Innenkontur des Separators 10 und der Oberfläche des Rotationskolbens 4 bildet sich jedoch bereits ein Ansaugraum 19 aus, der etwas später, während der Separator 10 die Einlassöffnung 15 freigibt, mit Luft oder Fluid gefüllt wird. Da sich der übrige Teilraum 20 verkleinert, handelt es sich bei dem großen Teilraum in diesem Stadium um einen Verdichtungsraum 20.
In Fig. 6f befinden sich Exzenterwelle 5 und Rotationskolben 4 in einer 6 Uhr-Position oder 180°-Position. Die Einlassöffnung 15 ist frei, so dass der bezüglich der Drehrichtung des Rotationskolbens 4 rückwärtige Teilraum 19 mit Luft oder Fluid gefüllt wird. Das Volumen des Verdichtungsraums 20 verkleinert sich weiter.
Aus den Fig. 6a bis 6f geht hervor, dass das Ansaugen eines Fluid- volumens und das Verdichten desselben Fluidvolumens zwei voll- ständige Rotationen der Exzenterwelle 5 und des Rotationskolbens
4 erfordern. Da beide Teilvorgänge gleichzeitig bzw. simultan erfolgen, wird mit jeder einzelnen Umdrehung des Rotationskolbens 4 innerhalb der Vorrichtung ein Fluidvolumen angesaugt und ein anderes Fluidvolumen verdichtet und ausgestoßen.
In Fig. 7 ist eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 30 gezeigt. In einem gemeinsamen Gehäuse 31 sind von links nach rechts in Fig. 7 aufeinander folgend dargestellt ein Kompressor 32, eine Einheit mit einer Brenn- kammer 33 und ein Expander 34. Kompressor 32 und Expander 34 sind in der in den Fig. 1 bis 6 beschriebenen Art und Weise ausgeführt. Der Kompressor 32 und der Expander 34 weisen somit zylindrische Verdrängerräume 38 bzw. 39 auf, in denen auf einer gemeinsamen Nockenwelle 35 mit jeweils eigenen Exzenterwellen (nicht dargestellt) Rotationskolben 36 bzw. 37 angeordnet sind, die in der zuvor beschriebenen Weise exzentrisch durch die zylindrischen Verdrängerräume 38 bzw. 39 rotieren. Die Rotationskolben 36, 37 _ .
befinden sich jeweils in einer zentralen Position, so dass die Separatoren verdeckt werden und nicht dargestellt sind.
Durch einen Lufteinlass 40 wird beispielsweise Luft in den Verdrän- gerraum 38 des Kompressors 32 eingesaugt, in der zuvor beschriebenen Weise verdichtet, vorzugsweise bis auf ein Verdichtungsverhältnis von 100 : 1 bis 140 : 1 , und anschließend durch eine Übergangsleitung 41 und ein federvorbelastetes Überströmventil 43 in eine kugelförmige Brennkammer 33 geleitet. Im Kompressor 32 wird die eingesaugte Luft gegebenenfalls bereits mit einer geringen
Menge Brennstoff, beispielsweise Diesel, beladen, um eine Schmierung zu bewirken und gegebenenfalls eine sequentielle Einspritzung zu realisieren.
Die Brennkammer 33 weist eine Einspritzdüse 45 für Brennstoff auf, der in die Brennkammer 33 eingespritzt wird. Aufgrund des hohen Drucks, der in der Brennkammer 33 herrscht, entzündet sich das Gemisch von selbst und verbrennt bei einer sehr hohen Temperatur, vorzugsweise oberhalb von 2.0000C, so dass eine vollständige Ver- brennung unter Vermeidung schädlicher Abgase wie Stickoxiden erfolgt. Aufgrund der hohen Temperaturen ist die Innenseite der Brennkammer 33 mit einer Hochtemperaturkeramik 46 ausgekleidet. Im dargestellten Fall ist die Einspritzdüse 45 über einen Nocken der Nockenwelle mit der Nockenwelle 35 verbunden, die eine Kraftver- bindung von Expander 34 zum Kompressor 32 erstellt. Damit kann der Einspritzzeitpunkt auf die Phasen des Kompressors 32 und des Expanders 34 eingestellt werden.
Mit der Explosion oder der Verbrennung des Brennstoffs in der Brennkammer 33 erhöht sich in der Brennkammer 33 die Temperatur und der Druck des Verbrennungsgemisches, so dass sich das wieder vorbelastete Überströmventil 44 in der Übergangsleitung 42 - -
zwischen Brennkammer 33 und Expander 34 öffnet. Dort strömt das Verbrennungsprodukt in den Verdrängerraum 39 des Expanders 34, der ein größeres Volumen aufweist als der Verdrängerraum 38 des Kompressors 32. Das Verhältnis der Volumina der Verdrängerräume 39 und 38 ist vorteilhafterweise im Bereich von 2,5 : 1 bis 3 : 1 , abhängig vom Arbeitspunkt des Verbrennungsmotors 30. Nicht dargestellt ist der Separator, der u.a. die Übergangsleitung 42, die in den Verdrängerraum 39 des Expanders 34 führt, vom Luftauslass 47 trennt. Eine direkte Verbindung zwischen Übergangsleitung 42 und Luftauslass 47 ist daher nicht gegeben. Dies gilt ebenso auch für den Kompressor 32, bei dem der Lufteinlass 40 ebenfalls nicht mit der Übergangsleitung 41 vom Kompressor 32 zur Brennkammer 33 direkt verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Verbrennungsmotor 30 verwendet aufgrund seiner Bewegungsweise bei hohen Temperaturen und Drücken, die mit herkömmlichen Dieselmotoren beispielsweise nicht erreichbar sind, eine hohe Energieausbeute bzw. -effizienz mit leichtem Gewicht und geringen Ausmaßen. Gegenüber bekannten Flügelradzel- lenmotoren, die das Problem aufweisen, dass die Flügel bzw. Flächenkörper den hohen Temperaturen und Drücken auf Dauer nicht standhalten, ist die erfindungsgemäße Konstruktion deutlich stabiler, sowohl was die Stabilität gegenüber den Drücken als auch gegenüber der Temperatur betrifft.
Der Arbeitspunkt lässt sich bei dem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor 30 einstellen, indem einerseits eine sequentielle oder partielle Einspritzung verwirklicht wird und indem die Residualvolumen des Kompressors 32 und/oder des Expanders 34 verändert werden und so das jeweilige Verdichtungs- bzw. -expansionsver- hältnis geändert wird. Dies kann in der gleichen Weise erfolgen wie oben bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Verdichtung - -
bzw. Verdrängung eines Fluids beschrieben.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Gehäuse
21 Gehäuseinnenwand
3 Verdrängerraum
4 Rotationskolben
4' Oberfläche des Rotationskolbens
5 Exzenterwelle
6 Wellenachse
7 Nocken
8 Drehgelenköse
9 Stift
10 Separator
10' Teller
11 Achsschaft
12 Achslagerung
13 Außenkontur
14 Innenkontur
15 Einlassöffnung
16 konturierte Seite der Einlassöffnung
17 Auslassöffnung
18 Auslassventil
19 Ansaugraum
20 Verdichtungsraum
21 Öffnung für Wellenachse
22 Vertiefung für Separator
23 Lager
24 Lager
25 Seitenwand des Rotationskolbens
26 Öffnung für Nocken
27 Seitenwand des Separators 30 Verbrennungsmotor
31 Gehäuse
32 Kompressor
33 Brennkammer
34 Expander
35 Nockenwelle
36, 37 Rotationskolben
38, 39 Verdrängerraum
40 Lufteinlass
41 , 42 Übergangsleitung
43, 44 federvorbelastetes Überströmventil
45 Einspritzdüse
46 Keramikauskleidung
47 Luftauslass

Claims

_ .Verdichtungsvorrichtung, Pumpe und VerbrennungsmotorPatentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zum Verdichten, Verdrängen und/oder Expandieren eines Fluids mit einem Rotationskolben (4), der auf einer Exzenterwelle (5) drehbar gelagert in einem Verdrängerraum (3) angeordnet ist und in einer Rotationsebene rotierbar ist, die sich senkrecht zu einer Wellenachse (6) der Exzenterwelle (5) erstreckt, wobei der Verdrängerraum (3) von einer Innenfläche (2') eines Gehäuses (2) begrenzt ist und durch den Rotationskolben (4) und einen Separator (10) in zwei Teilräume (19, 20) variabler Größe unterteilbar ist, dadurch gekennzeich- net, dass der Separator (10) eine kreisabschnittsförmige Außenkontur (13) aufweist und drehbar auf einer Drehachse (11 , 12) gelagert ist, die mit dem Mittelpunkt des die Außenkontur (13) des Separators (10) umschreibenden Kreises zusammenfällt.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Separator (10) an einem Endpunkt seiner kreisab- schnittsförmigen Außenkontur (13) mit dem Umfang des Rotationskolbens (4) gelenkig verbunden ist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich- 5 net, dass der Separator (10) als Trommelventil ausgebildet ist, bei dem ein Körper des Separators seitlich von zwei, insbesondere runden, Tellern (10') begrenzt wird, die an ihren Außenseiten jeweils eine Achsbefestigung, insbesondere einen Achsschaft oder ein Achslager, aufweisen. 0
4. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einlassöffnung (15) oder wenigstens eine Auslassöffnung vorgesehen ist, die mittels der Außenkontur (13) des Separators (10) verschließbar ist. 5
5. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung (15) in der Innenwand (2') des den Verdrängerraum (3) begrenzenden Gehäuses (2) als kreisab- schnittsförmige Aussparung (16) ausgebildet ist, deren Radius0 und Mittelpunkt mit dem Radius und dem Mittelpunkt des Kreises im Wesentlichen übereinstimmen, der die Außenkontur (13) des Separators (10) umschreibt.
6. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge-5 kennzeichnet, dass wenigstens eine Auslassöffnung (17) mit wenigstens einem Ventil (18), insbesondere einem Rückschlagventil, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-o kennzeichnet, dass die Oberfläche (4') des Rotationskolbens
(4) und/oder die Innenfläche (2') des den Verdrängerraum (3) begrenzenden Gehäuses (2) und/oder die Oberfläche des Se- parators (10) an seiner Außenkontur (13) wenigstens abschnittsweise mit Teflon, insbesondere Hartteflon, beschichtet ist oder wenigstens abschnittsweise eine Labyrinth-Struktur zur Erzeugung eines Labyrinth-Effekts aufweist.
8. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lagerung der Wellenachse der Exzenterwelle in einer Öffnung (21 ) des Gehäuses (2) und/oder des Rotationskolbens (4) auf einem Nocken (7) der Exzenterwelle (5) und/oder eines Stifts (9) des Separators (10) in einer Drehgelenköse (8) des Rotationskolbens (4) und/oder eines Achsschafts (1 1) des Separators (10) in einem Achslager (12) im Gehäuse (2) ein verpresstes Kugellager ist oder in Form einer Rotgusshülse ausgebildet ist, wobei insbesondere ein in die Rotgusshülse eingreifender Stift (9) oder Schaft (7, 11 ) wenigstens teilweise aus Stahl besteht.
9. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der Vorrichtung (1 ) und/oder der Rotationskolben (4) und/oder der Separator (10) wenigstens überwiegend aus Aluminium bestehen.
10. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerraum (3) und der Rotations- kolben (4) zylindrisch sind.
1 1. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Rotationskolbens (4) weniger als das 0,7-fache, insbesondere weniger als das 0,64-fache des Durchmessers des Verdrängerraums (3) beträgt. - -
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerraum (3) eine Einrichtung zur Einstellung des Residualvolumens aufweist, insbesondere eine Gewindebohrung mit darin einstellbarer beweglicher Ge- windestange.
13. Pumpe zur Verdrängung eines Fluids mit wenigstens einer Vorrichtung (1 ) zum Verdichten und/oder Verdrängen eines Fluids nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
14. Pumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine ganzzahlige Anzahl N Vorrichtungen (1) zum Verdichten und/oder Verdrängen eines Fluids axial fluchtend in Serie nebeneinander angeordnet sind, wobei N wenigstens 2 ist, wobei eine gemeinsame, insbesondere einteilige oder mehrteilige,
Exzenterwelle (5) zum Ausgleich von Unwuchten so ausgebildet ist, dass die Rotationskolben (4) Phasenunterschiede von, insbesondere Vielfachen von, 360°/N aufweisen.
15. Verbrennungsmotor (30), umfassend eine Vorrichtung (32) zur
Verdichtung eines Fluids, eine Brennkammer (33), in die zur Erzeugung einer Verbrennung oder Explosion verdichtetes Fluid aus der Vorrichtung und ein Brennstoff einleitbar sind, und eine Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungs- produkts aus der Brennkammer (33), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) zur Verdichtung eines Fluids eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
16. Verbrennungsmotor (30) nach Anspruch 15, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 ist, die insbesondere in umgekehrter Reihenfolge _ .
betrieben wird, wobei insbesondere die Öffnung, die durch den Separator (10) verschließbar ist, die Ausgangsöffnung ist.
17. Verbrennungsmotor (30) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Verdrängerraums (38) der Vorrichtung (32) zur Verdichtung eines Fluids kleiner ist als das Volumen des Verdrängerraums (39) der Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts, insbesondere mit einem Faktor von 1 : 2,5 bis 1 : 3.
18. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdrängerraum (38) der Vorrichtung (32) zur Verdichtung eines Fluids und der Brennkammer (33) eine Einrichtung (43), insbesondere ein Rückschlagventil, ein Überströmventil (43) oder ein mit der
Drehung des Rotationskolbens synchronisiertes Ventil, angeordnet ist, die ein Zurückströmen des Fluids oder des Verbrennungsprodukts aus der Brennkammer (33) in die Vorrichtung (32) zur Verdichtung eines Fluids verhindert.
19. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Brennkammer (33) und dem Verdrängerraum (39) der Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts eine Einrichtung (44), insbe- sondere ein Rückschlagventil, ein Überströmventil (44) oder ein mit der Drehung des Rotationskolbens synchronisiertes Ventil, angeordnet ist, die ein Zurückströmen des Fluids oder des Verbrennungsprodukts aus der Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts in die Brennkammer (33) verhindert.
20. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einlassöffnung (42) für das Verbrennungsprodukt in der Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts im Umfang oder in einer Seite des Verdrängerraums (39) so angeordnet ist, dass die 5 Exzenterwelle und der Rotationskolben (37) im Verhältnis zur
Einlassöffnung (42) bei Einleitung des Verbrennungsprodukts in einer Stellung von 40° bis 160°, insbesondere etwa 90°, steht. o 21. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (33) und/oder der Verdrängerraum (39) der Vorrichtung (34) zur Expansion des Verbrennungsprodukts mit einer Auskleidung (46) versehen ist, die aus einem Material besteht, das bei Temperaturen5 bis mehr als 2.0000C, insbesondere bis mehr als 2.1000C, beständig ist, insbesondere aus Hochtemperatur-Keramik.
22. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) zur Ver-o dichtung eines Fluids auf ein Verdichtungsverhältnis von
100 : 1 oder größer, insbesondere bis zu 140 : 1 , ausgelegt ist.
23. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32) zur Ver-5 dichtung eines Fluids wenigstens eine Düse zum Einleiten eines Brennstoffs, insbesondere in einem nicht brennfähigen Mischungsverhältnis, in den Verdrängerraum (38) aufweist.
24. Verbrennungsmotor (30) nach einem der Ansprüche 15 bis 23,0 dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (33) kugelförmig ist oder eine im Wesentlichen abgerundete Form hat.
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