EP3144471B1 - Drehkolbenmotor und verfahren zum betreiben eines drehkolbenmotors - Google Patents

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EP3144471B1
EP3144471B1 EP15186100.2A EP15186100A EP3144471B1 EP 3144471 B1 EP3144471 B1 EP 3144471B1 EP 15186100 A EP15186100 A EP 15186100A EP 3144471 B1 EP3144471 B1 EP 3144471B1
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EP
European Patent Office
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sealing strips
rotary
fluid
rotary piston
sealing
Prior art date
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EP15186100.2A
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English (en)
French (fr)
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EP3144471A1 (de
Inventor
Dirk Hoffmann
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Fuelsave GmbH
Original Assignee
Fuelsave GmbH
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Publication date
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Priority to US15/761,213 priority patent/US10458238B2/en
Priority to PCT/EP2016/071937 priority patent/WO2017050648A1/de
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Application granted granted Critical
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Priority to ZA2018/01910A priority patent/ZA201801910B/en
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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
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F01C1/12—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F01C1/123—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type with tooth-like elements, extending generally radially from the rotor body cooperating with recesses in the other rotor, e.g. one tooth
    • 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
    • F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/02—Radially-movable sealings for working fluids
    • F01C19/06—Radially-movable sealings for working fluids of resilient material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/04—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using kinetic energy

Definitions

  • the present invention relates in a first aspect to a rotary engine according to the preamble of claim 1.
  • the invention relates to a method for operating a rotary piston engine according to the preamble of claim 14.
  • a rotary engine is used to convert energy into rotational energy.
  • the rotary piston engine is set in motion by the pressure of a fluid.
  • the fluid can be basically arbitrary and the pressure can arise in basically any arbitrary manner.
  • a generic rotary piston engine has for this purpose a housing which forms an interior. In the interior, at least two rotary pistons are arranged. In addition, an inlet opening for introducing a fluid into the interior space is provided, and an outlet opening for the fluid is provided, which is located on the interior at an opposite side of the inlet opening. The fluid thus flows through the interior and thereby puts the rotary pistons in rotation.
  • a fluid is passed through an inlet opening into an interior of a housing of the rotary piston engine.
  • a fluid is passed through an inlet opening into an interior of a housing of the rotary piston engine.
  • at least two rotary pistons are arranged, which are set in rotation by the fluid.
  • DE 10 2007 019 958 A1 describes a rotary engine with two rotary pistons.
  • the two rotary pistons comprise on their outer side in each case a sprocket, which is in each case interrupted by two recesses and two working teeth.
  • the recesses and working teeth have the same, semi-circular shape and contact each other by sealing.
  • sealing strips are provided, which are pressed by a spring to the outside and so press against the housing inner wall sealing.
  • GB 576 603 A relates to a rotary engine with also two rotary pistons, each comprising two protruding bulges and appropriately shaped recesses. The bulges sealingly contact the recesses and the housing inner wall.
  • sealing strips can be arranged in the bulges, which are pressed by springs sealing against the housing inner wall.
  • Other rotary piston engines with two rotary pistons, which each have three bulges and correspondingly shaped depressions, so that the bulges of one of the rotary pistons engage sealingly in the depressions of the other rotary piston, are described in: DE 44 39 063 A1 .
  • DE 26 35 972 A1 and FR 698 019 A are described in: DE 44 39 063 A1 .
  • DE 26 35 972 A1 and FR 698 019 A
  • an object of the invention can be considered to provide a rotary piston engine and a method for operating a rotary piston engine, wherein the rotary piston engine offers the highest possible efficiency for the widest possible range of applications.
  • each rotary piston has at least two sealing strips and at least two recesses on its outer circumference.
  • the shapes of the depressions and the sealing strips are selected to, in particular sealing, engagement of the sealing strips of each one of the rotary piston in the recesses of the other rotary piston.
  • the sealing strips are dimensioned in the radial direction for sealingly contacting a housing inner wall.
  • each rotary piston has at least two sealing strips and at least two recesses on its outer circumference, wherein the shapes of the recesses and the sealing strips are selected for, in particular sealing, engagement of the sealing strips of one each the rotary piston in the wells of the other rotary piston.
  • the sealing strips are dimensioned in the radial direction for sealingly contacting a housing inner wall.
  • the radial direction refers to the radius of the associated rotary piston, whereby the radial direction is transverse or perpendicular to the direction of rotation of the respective rotary piston.
  • the fluid coming from the inlet orifice presses against (at least) some of the sealing strips, whereby these sealing strips are pressed against the housing inner wall.
  • at least one (or exactly one) of the sealing strips of each rotary piston can be exposed to the inflowing fluid and thus be pressed by this against the inner wall of the housing.
  • a fluid pressure can act on the sealing strips and press them against the housing inner wall, whereby a particularly good seal is produced.
  • the fluid pressure leads to a certain deformation of the sealing strips, which is important for an efficient seal.
  • the sealing fluid pressure can already be achieved at a relatively low pressure. Also, the viscosity of the working fluid plays only a minor role. Therefore, the rotary engine of the invention can be used for many different working fluids and under very different pressures. As a further advantage, lubricants or oils are not required in the rotary piston engine according to the invention, depending on the fluid used.
  • sealing strips comprise a deformable or elastic material so that they are pressed / deformed by the fluid sealing against the housing inner wall.
  • the material of the sealing strips is easier to deform or more elastic than a material surrounding the sealing strips of the rotary piston, in particular as the material from which the grooves described in more detail below for receiving the sealing strips are formed.
  • the fluid used may in principle be any liquid or gas. This is passed through the inlet opening into the interior of the rotary piston engine. As it flows through the interior in the direction of the outlet opening, it rotates the two rotary pistons.
  • the rotary pistons are dimensioned and arranged in the interior, that the fluid can only pass from the inlet opening to the outlet opening, when the rotary pistons are rotated. In other words, the two rotary pistons cause a seal at standstill, so that no fluid can flow through the interior without rotation.
  • a contact of the two rotary pistons is necessary. Through this contact little or no fluid can pass between the two rotary pistons.
  • a contact of the two rotary pistons to the housing inner wall is required for the seal.
  • each rotary piston by means of its sealing strips provide a sealing contact with the adjacent housing inner wall over an angular range of at least 150 °, preferably at least 180 ° and more preferably more than 180 °.
  • the sealing strips may extend in a longitudinal direction, which is substantially parallel to the axes of rotation of the two rotary pistons.
  • an angle between the longitudinal direction and the axes of rotation may be less than 20 °, preferably less than 10 °.
  • the two axes of rotation of the two rotary pistons can also be parallel to each other or at least at an angle which is at most 40 ° or preferably at most 20 °.
  • the two rotary pistons can be formed identically. If asymmetrical sealing strips are used, as described later, then the rotary pistons can be identical except for a mirrored arrangement or shaping of the sealing strips.
  • an object Under a rotary piston, an object can be understood, which is rotatably mounted and rotates with rotation, a shaft. The rotation of this shaft can then be used, for example, to set other objects in rotation or in particular to generate electrical energy via a generator.
  • the sealing strips can be received in grooves, ie grooves or similar recesses, which are formed on the respective outer circumference of the rotary piston.
  • the grooves can be formed in later described in more detail sprockets of the rotary piston.
  • the sealing strips can be attached in principle any way. The sealing strips can thus be exchangeable, so that when worn due to the sealing contact a slight change of the sealing strips is possible without further components of the rotary piston engine would have to be replaced.
  • the sealing strips are formed as sliding blocks for retaining engagement in the grooves in the rotary piston.
  • the sealing strips have at their respective inner end, which is accommodated in the associated rotary piston, a thickening or a collar.
  • the grooves in which the sealing strips are received, are shaped so that said thickening or the collar engages holding.
  • the grooves may be formed as T-grooves and each of the sliding blocks may include a laterally projecting collar for engaging one of the T-slots.
  • the grooves therefore have a T-shape in a section transverse or perpendicular to the axis of rotation of the associated rotary piston.
  • a the inside of the rotary piston facing the end of Nuteinsteine also has a T-shape, so that the sliding block is held in the T-slot.
  • screw fasteners or adhesive connections can be provided for fastening the sealing strips in the grooves.
  • the sealing strips and the associated grooves can be shaped so that the sealing strips are held in the radial direction of the associated rotary piston, so are immovable.
  • moving perpendicularly thereto, in particular in the direction of the axis of rotation of the rotary piston can be possible (and thus insertion and removal) of the sealing strips.
  • worn or abraded sealing strips can be easily replaced.
  • the sealing effect of the sealing strips to the housing inner wall depends on the deformation of the sealing strips. It is advantageous if the fluid pressure causes a deformation of the sealing strips toward the housing inner wall, and not about a deformation away from the housing inner wall.
  • Each of the sealing strips has a side which, in the case of a rotational angle position of the associated rotary piston, in which the sealing strip contacts the housing inner wall, faces inflowing fluid. This page will be referred to hereinafter as the fluid contact side.
  • the fluid contact side In order to produce a deformation for the sealing contacting of the housing inner wall, the fluid contact side has no convex shape or at least on its inner wall facing the end of the end no convex shape. Rather, the fluid contact side has a concave shape or at least at its the housing inner wall end facing a concave shape .
  • Each of the sealing strips also has a rear side, which faces the fluid contact side. This rear side is not facing inflowing fluid when there is a rotational angle position of the associated rotary piston in which the sealing strip contacts the housing inner wall or is adjacent thereto.
  • the shape of the back also affects the deformation and thus the sealing effect.
  • the rear side is preferably not concave or at least not concave on one end facing the inside wall of the housing.
  • the rear side is convexly shaped or at least convexly formed on an end facing the inner wall of the housing. A sufficient sealing effect can in turn be possible even with a linear or planar shape of the back.
  • the sealing strips may have an edge, at which a sealing contact with the housing inner wall is effected.
  • An edge may result from a non-circular cross-section, in particular through the concave fluid contact side or when the back is convex.
  • each rotary piston has (in particular exactly) two sealing strips at opposite angular positions on its outer circumference.
  • the two angular positions can be offset by a rotation angle of 180 ° about the axis of rotation of the associated rotary piston to each other.
  • each rotary piston may comprise two recesses, which are located on the outer circumference at angular positions, which are also offset by 180 ° to each other and preferably each offset by 90 ° to the angular positions of the two sealing strips. This ensures that inflowing Fluid always presses against one of the sealing strips on each rotary piston, thereby causing a rotation of the rotary piston.
  • the sealing strips can be sized and a housing inner wall to be shaped so that the sealing strips within a rotational angle range of the rotary piston, the housing inner wall sealingly contact.
  • This rotation angle range can be located opposite to a contact area between the two rotary pistons.
  • the molding of the housing inner wall is such that over a rotational angle range, which may be, for example, between 5 ° and 20 °, two sealing strips contact the housing inner wall and otherwise contacted only a sealing strip the housing inner wall.
  • Each of the rotary pistons may have a ring gear on its outer periphery.
  • the rotary pistons can then be arranged so that their sprockets interlock. This largely prevents fluid from flowing between the two rotary pistons. Rather, the fluid is transported at the edge between the rotary piston and the housing inner wall.
  • the sprockets may be interrupted by the depressions and sealing strips and extend, moreover, over the entire circumference of the two rotary pistons. Under a sprocket can be understood that an outer peripheral surface of the associated rotary piston has radially projecting teeth. Preferably, each tooth extends over the entire height of the rotary pistons along their axes of rotation.
  • the sealing strips can protrude in the radial direction of their respective rotary piston further outward than the respective sprocket.
  • the ring gear is always spaced from the housing inner wall. In between, a free space is formed, via which fluid passes in the direction of the outlet opening. The free space is limited in the circumferential direction of the rotary piston by the sealing strips.
  • the sealing strips protrude over the respective sprocket preferably by a radial distance, which is between 5% and 30%, in particular between 10% and 25%, of a radius of the sprocket. This radius can be measured from the center of the rotary piston to the outer periphery of the associated ring gear.
  • the protruding radial distance influences the size of a deformation of the sealing performance and thus influences the sealing properties.
  • the protruding radial distance is decisive for the amount of fluid that is conveyed past the associated rotary piston. It has been shown that with the aforementioned values, a good seal can be achieved and a high efficiency can be achieved over a relatively large range of flow rates.
  • a radial size of teeth of the sprockets is preferably at most 15%, preferably at most 10%, of a radius of the sprocket.
  • the radius of the ring gear may be defined by the distance from its center to its outer periphery, so the outer end of the teeth.
  • the rotary piston engine can serve any purpose in which energy from a fluid pressure to be used.
  • thermal energy can be utilized by transferring it to the fluid and ultimately contributing to the fluid pressure that is generated by the rotary engine to produce rotational energy is being used.
  • rather moderate amounts of energy are to be used.
  • An example is the use of heat energy from exhaust gases of an internal combustion engine, such as vehicles.
  • the invention also relates to a waste heat recovery system having a working fluid circuit in which the fluid is circulated.
  • heat can be transferred from a medium to the fluid in the working fluid circuit by means of a heat exchanger.
  • the named medium can basically be arbitrary.
  • it may be exhaust gases of an internal combustion engine, in particular an internal combustion engine of a vehicle.
  • the working fluid circuit is designed as a cyclic process and includes means for converting thermal energy of the fluid into kinetic energy. Such cycle processes are known in principle.
  • the working fluid circuit can be designed as an organic Rankine cycle (ORC, Organic Rankine Cyle) and comprise the components required for this purpose.
  • ORC Organic Rankine Cyle
  • an inventive rotary piston engine As an essential feature is provided as an engine of the cycle (or instead of the turbine used in such cycles), an inventive rotary piston engine. In this, the fluid flowing through is expanded and thus a rotation of the rotary piston is effected.
  • ORC process other cycles can be used in which a motor is driven by thermal energy.
  • the cyclic process may include, for example, a feed pump, a heater or the heat exchanger, the rotary piston engine according to the invention and a condenser and optionally a recuperator.
  • the invention further relates to a vehicle, such as a car or truck with an internal combustion engine, wherein the vehicle has the waste heat recovery system according to the invention.
  • the heat exchanger can be arranged so that exhaust gas heat can be transferred to the fluid.
  • an exhaust pipe may adjoin the heat exchanger so as to transfer heat from the exhaust pipe.
  • the heat exchanger already suffices if, for example, an exhaust gas line is in thermal contact with a line of the fluid.
  • the rotary engine is described with two rotary pistons. In principle, however, other rotary pistons may also be present in the same interior or in another interior. In addition, the number of sealing strips and associated recesses may differ from the number described for the various embodiments.
  • Fig. 1 is shown schematically a cross section of an embodiment of a rotary piston engine 100 according to the invention. An enlarged section of this is in Fig. 2 shown.
  • the rotary engine 100 is driven by a fluid flowing through and serves to convert energy of the fluid into rotational energy.
  • the rotary piston engine 100 comprises as essential components two rotary pistons 20 and 30, which are arranged in an inner space 11. This is limited by a housing inner wall 12 of a housing 10.
  • An inlet opening 13, not shown, allows a fluid to flow into the interior 11.
  • the fluid may in principle be any liquid or any gas or liquid-gas mixture.
  • an outlet opening 15 for the fluid is also present. If the fluid flows from the inlet opening 13 through the interior 11 to the outlet opening 15, it must pass through the two rotary pistons 20, 30 for this purpose and causes them to rotate. With the reference numerals 21 and 31, the axes of rotation of the two rotary pistons 20 and 30 are indicated. The axes of rotation 21, 31 extend into the plane of the drawing.
  • the design of the rotary pistons 20, 30 is crucial. These should be a seal to each other and a seal to the surrounding housing inner wall Provide 12 so that the fluid can not reach the outlet opening 15 at standstill of the rotary piston 20, 30.
  • the rotary pistons 20, 30 should be easily drivable by the fluid, that is to say rotate even at low pressure.
  • the two rotary pistons 20 and 30 have at their respective outer sides via sealing strips 25, 26, 35, 36.
  • the outer sides can be regarded as lateral surfaces of approximately cylindrical rotary pistons 20, 30.
  • the sealing strips 25, 26, 35, 36 preferably extend over the entire height of the inner space 11, wherein the height can extend in the direction of the axes of rotation 21, 31.
  • the rotary piston 20 has at least two, preferably exactly two, sealing strips 25, 26. Likewise, at least two, preferably exactly two, sealing strips 35, 36 are arranged on the rotary piston 30. The sealing strips 25, 26, 35, 36 project radially beyond the remaining outer circumference of the associated rotary piston 20, 30. The sealing strips 25, 26, 35, 36 are preferably received in grooves on the respective rotary piston 20, 30 and may preferably consist of a different material than the part of the rotary piston 20, 30, in which the grooves are formed.
  • the sealing strips 25, 26, 35, 36 are made of a deformable material. This may be, for example, rubber, resin or a plastic. As a result, the sealing strips 25, 26, 35, 36 can be slightly deformed by countercurrent fluid and pressed against the housing inner wall 12.
  • the sealing strips 25, 26, 35, 36 but also consist of a rigid material, such as metal.
  • the sealing strips 25, 26, 35, 36 may be accommodated with some freedom in their associated grooves, whereby the fluid pressure, the sealing strips 25, 26, 35, 36 can easily tilt.
  • the sealing strips 25, 26, 35, 36 are also pressed sealingly against the housing inner wall 12.
  • the two rotary pistons 20, 30 are arranged in the interior 11 so that they touch each other. As a result, a fluid flow between the rotary piston is largely excluded.
  • the rotation axes 21 and 31 may be parallel to each other. But it is also an inclination between the axes of rotation 21, 31 possible, as long as a largely sealing contact between the rotary piston 20, 30 is ensured.
  • the rotary pistons 20, 30 at their respective outer circumference also each have a toothed rim 23, 33, which is rigidly connected to the remaining part of the associated rotary piston 20, 30.
  • the two sprockets 23, 33 are sized and arranged so that they mesh. As a result, both sprockets 23, 33 rotate together and form hardly any voids between each other. Fluid can therefore hardly pass between the two sprockets 23, 33.
  • the rotary pistons 20 and 30 at their respective outer periphery recesses 27, 28 and 37, 38.
  • the number of recesses 27, 28 of the first rotary piston 20 is equal to the number of sealing strips 35, 36 of the second rotary piston 30 is selected.
  • the number of recesses 37, 38 of the second rotary piston 30 is equal to the number of sealing strips 25, 26 of the first rotary piston 20 is selected.
  • the sealing strips 35, 36 of the second rotary piston 30 meet straight on the recesses 27, 28 of the first rotary piston 20.
  • a recess and a sealing strip alternate.
  • the two sealing strips 25, 26 at an azimuth angle of 180 ° (ie, a 180 ° angle about the axis of rotation 21 around) spaced from each other.
  • the two recesses 27, 28 are also offset by an azimuth angle of 180 ° to each other and additionally offset in each case by an azimuth angle of 90 ° to the sealing strips 25, 26.
  • a rotation angle is relevant, via the same sealing strip 25, 26 35, 36 causes a seal to the housing inner wall 12.
  • This rotation angle can, as in Fig. 1 may be greater than 180 ° and, for example, between 185 ° and 240 °.
  • the housing wall 12 at each of the rotary pistons has a circular section shape, wherein this shape forms a circular section of greater than 180 °, that forms more than a semicircle.
  • sealing strips 25, 26 35, 36 are closer in Fig. 2 recognizable.
  • the sealing strip 35 is shown there in its cross section.
  • the sealing strip 35 may be shaped like a profile, that is over its length (in particular in the direction of the axis of rotation 31) have the same cross-sectional shape.
  • the cross-sectional shape forms a sliding block.
  • a collar 35C is formed toward the inner end of the sealing strip 35. This engages in a T-shaped depression / groove. This prevents that the sliding block can unintentionally come loose in the radial direction from the groove of the rotary piston.
  • Inserting and removing the sliding block 35 is possible in the longitudinal direction, that is to say in the direction of the axis of rotation 31. Due to the formation as sliding blocks, the sealing strips are on the one hand easy to attach. On the other hand, replacement is also simplified. This is significant because it may come to a gradual abrasion of the sealing strips 25, 26, 35, 36 due to the sealing contact with the housing inner wall 12 and so an exchange may be required.
  • a sealing strip 35 is shown, which protrudes radially from the toothed rim 33.
  • the sealing strip 35 has a point of maximum radial extent, or an edge extending into the plane of the drawing (or extending in the direction of the axis of rotation 31). From this edge, the sealing strip 35 has a surface 35A or fluid contact side 35A, which faces the inflowing fluid (this applies to rotational positions in which the sealing strip 35 the housing inner wall 12 contacted).
  • the sealing strip 35 On the other side of said edge, the sealing strip 35 has another surface 35B, which is also referred to as the back 35B. The back side 35B does not face the inflowing fluid when the sealing strip 35 contacts the housing inner wall 12.
  • the fluid contact side 35A has a recess or a concave shape, while the back side 35B has an outwardly curved or convex shape.
  • the outer end of the sealing strip 35 ie the radially outermost part, is deformed transversely or approximately perpendicularly to the radial direction by the countercurrent fluid.
  • the sealing strip 35 is pressed against the housing inner wall 12.
  • Fig. 2 the lower end of the sealing strip 35 is deformed approximately to the left and thus against the housing inner wall 12.
  • a particularly good seal can be produced thereby, but without generating an unduly high friction between the sealing strips and the housing inner wall.
  • the rotary pistons can therefore advantageously be set in rotation.
  • low pressure fluids can also be used for energy usage.
  • an internal combustion engine emits exhaust gases from a vehicle, the heat of which can be used in principle.
  • the heat can be transferred with a heat exchanger to a fluid in a working cycle.
  • the working cycle according to the principle of the generally known Rankine cycle or organic Rankine cycle (ORC, English: Organic Rankine Cycle)
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • the working fluid is compressed and relaxed again. It passes through a motor which generates a rotational movement from the energy of the fluid.
  • the rotary piston engine according to the invention is used.
  • the waste heat utilization of exhaust gases pressures are generated in which previously used engines have a rather poor efficiency.
  • the rotary piston engine according to the invention makes it possible to efficiently utilize heat energy from exhaust gases.
  • the generated rotational energy can be used in principle any way. In particular, it can be converted into electrical energy, such as with a generator.
  • the electrical energy can be fed into an electrical system of the motor vehicle and / or stored in an electrochemical battery or other storage means.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich in einem ersten Aspekt auf einen Drehkolbenmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • In einem zweiten Gesichtspunkt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Drehkolbenmotors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14.
  • Ein Drehkolbenmotor dient der Umwandlung von Energie in Rotationsenergie. Bei Drehkolbenmotoren, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, wird über den Druck eines Fluids der Drehkolbenmotor in Bewegung versetzt. Das Fluid kann grundsätzlich beliebig sein und der Druck kann in grundsätzlich ebenfalls beliebiger Weise entstehen.
  • Ein gattungsgemäßer Drehkolbenmotor weist zu diesem Zweck ein Gehäuse auf, welches einen Innenraum bildet. In dem Innenraum sind zumindest zwei Drehkolben angeordnet. Zudem ist eine Eintrittsöffnung zum Einleiten eines Fluids in den Innenraum vorgesehen und es ist eine Austrittsöffnung für das Fluid vorgesehen, welche sich am Innenraum an einer der Eintrittsöffnung gegenüberliegenden Seite befindet. Das Fluid durchströmt somit den Innenraum und versetzt dabei die Drehkolben in Rotation.
  • In entsprechender Weise ist bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Drehkolbenmotors vorgesehen, dass durch eine Eintrittsöffnung ein Fluid in einen Innenraum eines Gehäuses des Drehkolbenmotors geleitet wird. In dem Innenraum sind zumindest zwei Drehkolben angeordnet, welche durch das Fluid in Rotation versetzt werden.
  • Es sind zahlreiche Drehkolbenmotoren bekannt, die nach diesem Prinzip arbeiten. Die meisten dieser Motoren sind für ein bestimmtes Arbeitsfluid und oft auch auf ein verhältnismäßig enges Intervall des Arbeitsdrucks dieses Fluids ausgelegt. Insbesondere auch hinsichtlich der Viskosität des Arbeitsfluids setzen bekannte Drehkolbenmotoren meist enge Schranken. Zudem weisen bekannte Drehkolbenmotoren in der Regel bei niedrigem Arbeitsdruck einen verbesserungswürdigen Wirkungsgrad auf.
  • DE 10 2007 019 958 A1 beschreibt einen Drehkolbenmotor mit zwei Drehkolben. Die beiden Drehkolben umfassen an ihrer Außenseite jeweils einen Zahnkranz, welcher jeweils von zwei Vertiefungen und zwei Arbeitszähnen durchbrochen ist. Die Vertiefungen und Arbeitszähne haben die gleiche, halbkreisförmige Gestalt und kontaktieren sich dadurch dichtend. Zusätzlich zu den Arbeitszähnen sind Dichtleisten vorgesehen, welche über eine Feder nach außen gedrückt werden und so dichtend gegen die Gehäuseinnenwand drücken. GB 576 603 A betrifft einen Drehkolbenmotor mit ebenfalls zwei Drehkolben, welche jeweils zwei hervorstehende Auswölbungen und passend hierzu geformte Vertiefungen umfassen. Die Auswölbungen kontaktieren dichtend die Vertiefungen und die Gehäuseinnenwand. Zusätzlich können Dichtleisten in den Auswölbungen angeordnet sein, welche über Federn dichtend gegen die Gehäuseinnenwand gedrückt werden. Weitere Drehkolbenmotoren mit zwei Drehkolben, welche jeweils drei Auswölbungen und entsprechend geformte Vertiefungen aufweisen, so dass die Auswölbungen von einem der Drehkolben dichtend in die Vertiefungen des anderen Drehkolbens eingreifen, sind beschrieben in: DE 44 39 063 A1 , DE 26 35 972 A1 und FR 698 019 A .
  • Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen Drehkolbenmotor und ein Verfahren zum Betreiben eines Drehkolbenmotors anzugeben, wobei der Drehkolbenmotor bei einem möglichst großen Anwendungsbereich einen möglichst hohen Wirkungsgrad bietet.
  • Diese Aufgabe wird durch den Drehkolbenmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
  • Vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors und des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden außerdem in der folgenden Beschreibung erläutert.
  • Bei dem Drehkolbenmotor der oben genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Drehkolben an seinem Außenumfang mindestens zwei Dichtleisten und mindestens zwei Vertiefungen aufweist. Die Formen der Vertiefungen und der Dichtleisten sind gewählt zum, insbesondere dichtenden, Eingreifen der Dichtleisten von jeweils einem der Drehkolben in die Vertiefungen des jeweils anderen Drehkolbens. Zudem sind die Dichtleisten in Radialrichtung zum dichtenden Kontaktieren einer Gehäuseinnenwand bemessen.
  • In entsprechender Weise ist bei dem Verfahren der oben genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass jeder Drehkolben an seinem Außenumfang mindestens zwei Dichtleisten und mindestens zwei Vertiefungen aufweist, wobei die Formen der Vertiefungen und der Dichtleisten gewählt sind zum, insbesondere dichtenden, Eingreifen der Dichtleisten von jeweils einem der Drehkolben in die Vertiefungen des jeweils anderen Drehkolbens. Weiterhin sind die Dichtleisten in Radialrichtung zum dichtenden Kontaktieren einer Gehäuseinnenwand bemessen. Die Radialrichtung bezieht sich dabei auf den Radius des zugehörigen Drehkolbens, womit die Radialrichtung quer oder senkrecht zur Rotationsrichtung des jeweiligen Drehkolbens steht. Das von der Eintrittsöffnung kommende Fluid drückt gegen (zumindest) einige der Dichtleisten, wodurch diese Dichtleisten gegen die Gehäuseinnenwand gedrückt werden. Insbesondere kann je nach Drehstellung mindestens eine (oder genau eine) der Dichtleisten von jedem Drehkolben dem einströmenden Fluid ausgesetzt sein und somit durch dieses gegen die Gehäuseinnenwand gedrückt werden.
  • Als eine wesentliche Idee der Erfindung kann erachtet werden, eine Dichtung eines Drehkolbenmotors über Dichtleisten zu bewirken, welche an die Drehkolben ein- oder angesetzt werden. Ein Fluiddruck kann auf die Dichtleisten wirken und diese gegen die Gehäuseinnenwand drücken, womit eine besonders gute Dichtung erzeugt wird. Somit führt der Fluiddruck zu einer gewissen Verformung der Dichtleisten, welche für eine effiziente Dichtung bedeutsam ist.
  • Eine solche Verformung wäre nicht oder kaum möglich, wenn der gesamte Außenumfang eines Drehkolbens starr, insbesondere aus demselben Material, gebildet wäre.
  • Der dichtende Fluiddruck kann bereits bei einem verhältnismäßig geringen Druck erreicht werden. Auch spielt die Viskosität des Arbeitsfluids nur eine geringe Rolle. Daher kann der Drehkolbenmotor der Erfindung für zahlreiche verschiedene Arbeitsfluide und unter sehr unterschiedlichen Drücken eingesetzt werden. Als weiterer Vorteil sind Schmiermittel oder -öle bei dem erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor abhängig vom verwendeten Fluid nicht erforderlich.
  • Eine besonders gute Dichtung wird erreicht, indem die Dichtleisten ein verformbares oder elastisches Material umfassen, so dass sie durch das Fluid dichtend gegen die Gehäuseinnenwand drückbar / verformbar sind. Das Material der Dichtleisten ist leichter verformbar oder elastischer als ein die Dichtleisten umgebendes Material des Drehkolbens, insbesondere als das Material, aus dem die später näher beschriebenen Nuten zum Aufnehmen der Dichtleisten gebildet sind.
  • Das verwendete Fluid kann grundsätzlich eine beliebige Flüssigkeit oder ein beliebiges Gas sein. Dieses wird über die Eintrittsöffnung in den Innenraum des Drehkolbenmotors geleitet. Beim Durchströmen des Innenraums in Richtung der Austrittsöffnung dreht es die beiden Drehkolben. Die Drehkolben sind so dimensioniert und im Innenraum angeordnet, dass das Fluid von der Eintrittsöffnung zur Austrittsöffnung nur gelangen kann, wenn dabei die Drehkolben rotiert werden. Mit anderen Worten bewirken die beiden Drehkolben bei Stillstand eine Dichtung, so dass ohne Rotation kein Fluid den Innenraum durchströmen kann. Für diese Dichtung ist einerseits ein Kontakt der beiden Drehkolben nötig. Durch diesen Kontakt kann wenig oder kein Fluid zwischen den beiden Drehkolben hindurch gelangen. Andererseits wird für die Dichtung auch ein Kontakt der beiden Drehkolben zu der Gehäuseinnenwand benötigt. Dieser Kontakt besteht zumindest an einer nach außen gewandten Seite des jeweiligen Drehkolbens, welche dem Kontaktbereich zwischen den Drehkolben abgewandt ist. Beispielsweise kann jeder Drehkolben mittels seiner Dichtleisten einen dichtenden Kontakt zur benachbarten Gehäuseinnenwand über einen Winkelbereich von mindestens 150°, bevorzugt mindestens 180° und besonders bevorzugt mehr als 180° bereitstellen.
  • Die Dichtleisten können sich in eine Longitudinalrichtung erstrecken, welche im Wesentlichen parallel zu den Rotationsachsen der beiden Drehkolben steht. Insbesondere kann ein Winkel zwischen der Longitudinalrichtung und den Rotationsachsen kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 10°, sein.
  • Die beiden Rotationsachsen der zwei Drehkolben können ebenfalls parallel zueinander stehen oder zumindest in einem Winkel, der höchstens 40° oder vorzugsweise höchstens 20° beträgt. Zudem können die beiden Drehkolben identisch gebildet sein. Werden asymmetrische Dichtleisten verwendet, wie später beschrieben, so können die Drehkolben bis auf eine gespiegelte Anordnung oder Formung der Dichtleisten identisch sein.
  • Unter einem Drehkolben kann ein Gegenstand verstanden werden, welcher drehbar gelagert ist und bei Drehung eine Welle mitdreht. Die Drehung dieser Welle kann sodann verwendet werden, um beispielsweise andere Objekte in Rotation zu versetzten oder über insbesondere einen Generator elektrische Energie zu erzeugen.
  • Zur Befestigung der Dichtleisten an den Drehkolben können die Dichtleisten in Nuten, also Rillen oder ähnlichen Vertiefungen, aufgenommen sein, welche am jeweiligen Außenumfang der Drehkolben geformt sind. Insbesondere können die Nuten in später näher beschriebenen Zahnkränzen der Drehkolben gebildet sein. In den Nuten können die Dichtleisten in prinzipiell beliebiger Weise befestigt sein. Die Dichtleisten können somit austauschbar sein, womit bei einem Abrieb aufgrund des dichtenden Kontakts ein leichter Wechsel der Dichtleisten möglich ist, ohne dass weitere Komponenten des Drehkolbenmotors ausgetauscht werden müssten.
  • Bei einer bevorzugten Gestaltung sind die Dichtleisten als Nutensteine gebildet zum haltenden Eingreifen in die Nuten in den Drehkolben. Darunter ist zu verstehen, dass die Dichtleisten an ihrem jeweiligen inneren Ende, welches in den zugehörigen Drehkolben aufgenommen ist, eine Verdickung oder einen Kragen aufweisen. Die Nuten, in welchen die Dichtleisten aufgenommen sind, sind so geformt, dass die genannte Verdickung oder der Kragen haltend eingreift.
  • Insbesondere können die Nuten als T-Nuten geformt sein und jeder der Nutensteine kann einen seitlich hervorstehenden Kragen zum Eingreifen in eine der T-Nuten umfassen. Die Nuten haben demnach in einem Schnitt quer oder senkrecht zur Rotationsachse des zugehörigen Drehkolbens eine T-Form. Ein dem Inneren des Drehkolbens zugewandtes Ende der Nuteinsteine hat dabei ebenfalls eine T-Form, so dass der Nutenstein in der T-Nut gehalten wird. Grundsätzlich können alternativ oder ergänzend auch Schraubbefestigungen oder Klebeverbindungen zum Befestigen der Dichtleisten in den Nuten vorgesehen werden.
  • Allgemeiner aber insbesondere bei den vorgenannten Beispielen können die Dichtleisten und die zughörigen Nuten so geformt sein, dass die Dichtleisten in radialer Richtung des zugehörigen Drehkolbens gehalten werden, also unbeweglich sind. Hingegen kann etwa senkrecht hierzu, insbesondere in Richtung der Rotationsachse des Drehkolbens, ein Bewegen (und damit ein Einsetzen und Entnehmen) der Dichtleisten möglich sein. Somit können abgenutzte oder abgeriebene Dichtleisten leicht ausgetauscht werden.
  • Die dichtende Wirkung der Dichtleisten zu der Gehäuseinnenwand hängt von der Verformung der Dichtleisten ab. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Fluiddruck eine Verformung der Dichtleisten zur Gehäuseinnenwand hin bewirkt, und nicht etwa eine Verformung weg von der Gehäuseinnenwand. Jeder der Dichtleisten hat eine Seite, welche bei einer Drehwinkelstellung des zugehörigen Drehkolbens, bei welcher die Dichtleiste die Gehäuseinnenwand kontaktiert, einströmendem Fluid zugewandt ist. Diese Seite wird nachstehend als Fluidkontaktseite bezeichnet. Um eine Verformung zum dichtenden Kontaktieren der Gehäuseinnenwand herzustellen, hat die Fluidkontaktseite keine konvexe Form oder zumindest an ihrem der Gehäuseinnenwand zugewandten Ende keine konvexe Form. Vielmehr hat die Fluidkontaktseite eine konkave Form oder zumindest an ihrem der Gehäuseinnenwand zugewandten Ende eine konkave Form..
  • Jede der Dichtleisten hat zudem eine Rückseite, welche der Fluidkontaktseite gegenüberliegt. Diese Rückseite ist nicht einströmendem Fluid zugewandt, wenn eine Drehwinkelstellung des zugehörigen Drehkolbens vorliegt, bei welcher die Dichtleiste die Gehäuseinnenwand kontaktiert beziehungsweise zu dieser benachbart ist. Die Form der Rückseite hat ebenfalls Auswirkungen auf die Verformung und damit die dichtende Wirkung. Die Rückseite ist vorzugsweise nicht konkav oder zumindest an einem der Gehäuseinnenwand zugewandten Ende nicht konkav. Bevorzugt ist die Rückseite konvex geformt oder zumindest an einem der Gehäuseinnenwand zugewandten Ende konvex geformt. Eine hinreichende Dichtungswirkung kann wiederum auch bei einer linearen oder ebenen Form der Rückseite möglich sein.
  • Die Dichtleisten können eine Kante aufweisen, an welcher ein dichtender Kontakt zur Gehäuseinnenwand bewirkt wird. Eine Kante kann sich aus einem nicht runden Querschnitt ergeben, insbesondere durch die konkave Fluidkontaktseite oder wenn die Rückseite konvex ist.
  • Vorzugsweise verfügt jeder Drehkolben über (insbesondere genau) zwei Dichtleisten an gegenüberliegenden Winkelpositionen an seinem Außenumfang. Insbesondere können die beiden Winkelpositionen um einen Drehwinkel von 180° um die Rotationsachse des zugehörigen Drehkolbens zueinander versetzt sein. Zudem kann jeder Drehkolben zwei Vertiefungen umfassen, welche sich am Außenumfang an Winkelpositionen befinden, die ebenfalls um 180° zueinander versetzt und vorzugsweise jeweils um 90° zu den Winkelpositionen der beiden Dichtleisten versetzt sind. Dadurch wird erreicht, dass einströmendes Fluid stets gegen eine der Dichtleisten an jedem Drehkolben drückt und dadurch eine Rotation des Drehkolbens bewirkt. Zudem wird durch diese Anordnung erreicht, dass unabhängig von einer momentanen Drehstellung der Drehkolben stets eine Dichtung beider Drehkolben zur Gehäuseinnenwand bereitgestellt wird.
  • Zweckmäßigerweise können die Dichtleisten so bemessen sein und eine Gehäuseinnenwand so geformt sein, dass die Dichtleisten innerhalb eines Drehwinkelbereichs der Drehkolben die Gehäuseinnenwand dichtend kontaktieren. Dieser Drehwinkelbereich kann sich gegenüberliegend zu einem Kontaktbereich zwischen den beiden Drehkolben befinden. Je nach Drehwinkel des Drehkolbens kontaktiert also zumindest eine der Dichtleisten die Gehäuseinnenwand dichtend. Vorzugsweise ist die Formung der Gehäuseinnenwand derart, dass über einen Drehwinkelbereich, der beispielsweise zwischen 5° und 20° betragen kann, zwei Dichtleisten die Gehäuseinnenwand kontaktieren und ansonsten bloß eine Dichtleiste die Gehäuseinnenwand kontaktiert. Durch einen solchen Überlapp wird für jede Drehstellung sichergestellt, dass kein Fluid an den Drehkolben vorbei strömen kann, ohne diese in Drehung zu versetzen.
  • Jeder der Drehkolben kann an seinem Außenumfang einen Zahnkranz aufweisen. Die Drehkolben können sodann so angeordnet sein, dass ihre Zahnkränze ineinandergreifen. Hierdurch wird weitgehend verhindert, dass Fluid zwischen den beiden Drehkolben hindurchströmt. Vielmehr wird das Fluid am Rand zwischen den Drehkolben und der Gehäuseinnenwand befördert. Die Zahnkränze können durch die Vertiefungen und Dichtleisten unterbrochen sein und im Übrigen über den gesamten Umfang der beiden Drehkolben verlaufen. Unter einem Zahnkranz kann verstanden werden, dass eine Außenumfangsfläche des zugehörigen Drehkolbens radial hervorstehende Zähne aufweist. Vorzugsweise erstreckt sich jeder Zahn über die gesamte Höhe der Drehkolben entlang deren Rotationsachsen.
  • Insbesondere durch Temperaturschwankungen kann sich die Relativposition der beiden Drehkolben zueinander geringfügig ändern. Durch das Ineinandergreifen der Zahnkränze kann aber auch bei solchen Positionsschwankungen weiterhin eine dichtende Wirkung erreicht werden. Hingegen wären die Zahnkränze ungeeignet, eine Dichtung zur Gehäuseinnenwand bereitzustellen. Denn hier würden Positionsschwankungen mangels ineinandergreifender Zähne zu Leckströmen führen. Um dies zu vermeiden, wird eine Dichtung zur Gehäuseinnenwand nicht durch die Zahnkränze, sondern durch die Dichtleisten bewirkt.
  • Je nach Drehstellung der beiden Drehkolben wird ein weitgehend dichtender Kontakt zwischen diesen entweder durch die ineinandergreifenden Zahnkränze bereitgestellt, oder durch eine der Dichtleiste von einem der Drehkolben, welche in eine der Vertiefungen am anderen Drehkolben hineinragt.
  • Die Dichtleisten können in radialer Richtung von ihrem jeweiligen Drehkolben weiter nach außen ragen als der jeweilige Zahnkranz. Dadurch ist der Zahnkranz stets beabstandet von der Gehäuseinnenwand. Hierzwischen wird ein Freiraum gebildet, über welchen Fluid in Richtung der Austrittsöffnung gelangt. Der Freiraum wird in Umfangsrichtung der Drehkolben durch die Dichtleisten begrenzt.
  • Die Dichtleisten stehen über den jeweiligen Zahnkranz vorzugsweise um eine Radialstrecke hervor, welche zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 25%, eines Radius des Zahnkranzes beträgt. Dieser Radius kann ab dem Mittelpunkt des Drehkolbens bis zum Außenumfang des zugehörigen Zahnkranzes gemessen sein. Die hervorstehende Radialstrecke beeinflusst die Größe einer Verformung der Dichtleistung und beeinflusst somit die Dichtungseigenschaften. Zudem ist die hervorstehende Radialstrecke maßgeblich für die Menge an Fluid, die an dem zugehörigen Drehkolben vorbei befördert wird. Es hat sich gezeigt, dass mit den vorgenannten Werten eine gute Dichtung erreicht werden kann und über eine verhältnismäßig große Spanne an Durchflussmengen ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
  • Eine radiale Größe von Zähnen der Zahnkränze beträgt vorzugsweise höchstens 15%, vorzugsweise höchstens 10%, eines Radius des Zahnkranzes. Hiermit wird ein Fluidfluss zwischen den beiden Zahnkränzen hindurch genügend weit reduziert. Größere Zähne könnten je nach Fluid zudem nachteilige Wirkungen auf die Fluidströmung haben. Der Radius des Zahnkranzes kann durch die Strecke von dessen Mittelpunkt bis zu seinem äußeren Umfang, also dem äußeren Ende der Zähne, definiert sein.
  • Grundsätzlich kann der Drehkolbenmotor beliebigen Einsatzzwecken dienen, bei denen Energie aus einem Fluiddruck genutzt werden soll. Auch kann Wärmeenergie genutzt werden, indem diese auf das Fluid übertragen wird und schlussendlich zu dem Fluiddruck beiträgt, welcher durch den Drehkolbenmotor zur Erzeugung von Rotationsenergie genutzt wird. Insbesondere kommen Anwendungen in Betracht, bei denen eher moderate Energiemengen zu nutzen sind. Ein Beispiel ist die Nutzung von Wärmeenergie von Abgasen eines Verbrennungsmotors, beispielsweise von Fahrzeugen.
  • So betrifft die Erfindung auch ein Abwärmenutzungssystem mit einem Arbeitsfluidkreislauf, in welchem das Fluid zirkuliert wird. Dabei ist durch einen Wärmetauscher Wärme von einem Medium auf das Fluid im Arbeitsfluidkreislauf übertragbar. Das genannte Medium kann grundsätzlich beliebig sein. Beispielsweise kann es sich um Abgase einer Verbrennungsmaschine handeln, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs. Der Arbeitsfluidkreislauf ist als Kreisprozess gestaltet und umfasst Mittel zum Umwandeln von Wärmeenergie des Fluids in Bewegungsenergie. Solche Kreisprozesse sind grundsätzlich bekannt. Beispielsweise kann der Arbeitsfluidkreislauf als organischer Rankine-Kreisprozess (ORC, Organic Rankine Cyle) gestaltet sein und die hierfür erforderlichen Komponenten umfassen. Als wesentliches Merkmal ist als Motor des Kreisprozesses (oder anstelle der in solchen Kreisprozessen verwendeten Turbine) ein erfindungsgemäßer Drehkolbenmotor vorgesehen. In diesem wird das durchströmende Fluid entspannt und es wird so eine Rotation der Drehkolben bewirkt. Anstelle eines ORC-Prozesses können auch andere Kreisprozesse genutzt werden, bei welchen mit Wärmeenergie ein Motor angetrieben wird. Der Kreisprozess kann beispielsweise eine Speisepumpe, einen Erhitzer beziehungsweise den Wärmetauscher, den erfindungsgemäßen Drehkolbenmotor sowie einen Kondensator und fakultativ einen Rekuperator umfassen.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fahrzeug, beispielsweise einen PKW oder LKW mit Verbrennungsmotor, wobei das Fahrzeug das erfindungsgemäße Abwärmenutzungssystem aufweist. Hierbei kann der Wärmetauscher so angeordnet sein, dass Abgaswärme auf das Fluid übertragbar ist. Beispielsweise kann eine Abgasleitung an den Wärmetauscher grenzen, um so Wärme von der Abgasleitung zu übertragen. Grundsätzlich reicht als Wärmetauscher bereits, wenn beispielsweise eine Abgasleitung in thermischem Kontakt zu einer Leitung des Fluids steht.
  • Der Drehkolbenmotor wird mit zwei Drehkolben beschrieben. Grundsätzlich können aber auch weitere Drehkolben im selben Innenraum oder einem weiteren Innenraum vorhanden sein. Zudem kann die Anzahl an Dichtleisten und zugehörigen Vertiefungen von der zu den verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Anzahl abweichen.
  • Die als zusätzliche gegenständlichen Merkmale beschriebenen Eigenschaften der Erfindung sind auch als Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzufassen, und umgekehrt.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren beschrieben. Hierin zeigen:
    • Fig. 1
    einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors und
    Fig. 2
    einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1.
  • Gleiche und gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren in der Regel mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Drehkolbenmotors 100 gezeigt. Ein vergrößerter Ausschnitt hiervon ist in Fig. 2 dargestellt.
  • Der Drehkolbenmotor 100 wird durch ein durchströmendes Fluid angetrieben und dient der Umwandlung von Energie des Fluids in Rotationsenergie. Hierzu umfasst der Drehkolbenmotor 100 als wesentliche Komponenten zwei Drehkolben 20 und 30, welche in einem Innenraum 11 angeordnet sind. Dieser wird durch eine Gehäuseinnenwand 12 eines Gehäuses 10 begrenzt.
  • Eine nicht näher dargestellte Eintrittsöffnung 13 ermöglicht, dass ein Fluid in den Innenraum 11 einströmt. Bei dem Fluid kann es sich prinzipiell um eine beliebige Flüssigkeit oder auch ein beliebiges Gas oder ein Flüssigkeits-Gasgemisch handeln.
  • Am Innenraum 11 ist zudem eine Austrittsöffnung 15 für das Fluid vorhanden. Strömt das Fluid von der Eintrittsöffnung 13 durch den Innenraum 11 zur Austrittsöffnung 15, so muss es hierzu die beiden Drehkolben 20, 30 passieren und versetzt diese dabei in Rotation. Mit den Bezugszeichen 21 und 31 sind die Rotationsachsen der beiden Drehkolben 20 und 30 gekennzeichnet. Die Rotationsachsen 21, 31 erstrecken sich in die Zeichnungsebene hinein.
  • Für eine effiziente Funktionsweise ist die Gestaltung der Drehkolben 20, 30 entscheidend. Diese sollen eine Dichtung zueinander und eine Dichtung zur umgebenden Gehäuseinnenwand 12 bereitstellen, so dass das Fluid bei Stillstand der Drehkolben 20, 30 nicht zur Austrittsöffnung 15 gelangen kann.
  • Gleichzeitig sollen die Drehkolben 20, 30 leicht durch das Fluid antreibbar sein, also bereits bei geringem Druck rotieren.
  • Zu diesen Zwecken verfügen die beiden Drehkolben 20 und 30 an ihren jeweiligen Außenseiten über Dichtleisten 25, 26, 35, 36. Die Außenseiten können als Mantelflächen von in etwa zylinderförmigen Drehkolben 20, 30 angesehen werden. Die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 erstrecken sich vorzugsweise über die gesamte Höhe des Innenraums 11, wobei die Höhe in Richtung der Rotationsachsen 21, 31 verlaufen kann.
  • Der Drehkolben 20 verfügt über mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei, Dichtleisten 25, 26. Ebenso sind am Drehkolben 30 mindestens zwei, vorzugsweise genau zwei, Dichtleisten 35, 36 angeordnet. Die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 ragen radial über den übrigen Außenumfang des zugehörigen Drehkolbens 20, 30 hinaus. Die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 sind bevorzugt in Nuten am jeweiligen Drehkolben 20, 30 aufgenommen und können vorzugsweise aus einem anderen Material bestehen als der Teil der Drehkolben 20, 30, in dem die Nuten gebildet sind. Die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 bestehen aus einem verformbaren Material. Bei diesem kann es sich beispielsweise um Gummi, Harz oder einen Kunststoff handeln. Dadurch können die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 durch gegenströmendes Fluid geringfügig verformt und gegen die Gehäuseinnenwand 12 gedrückt werden. Hiermit wird eine besonders gute Dichtung zur Gehäuseinnenwand 12 erreicht. Prinzipiell können die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 aber auch aus einem starren Material bestehen, etwa aus Metall. Alternativ oder ergänzend können die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 mit etwas Spielraum in ihren zugehörigen Nuten aufgenommen sein, womit der Fluiddruck die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 leicht verkippen kann. Dadurch können prinzipiell die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 ebenfalls dichtend gegen die Gehäuseinnenwand 12 gedrückt werden.
  • Die beiden Drehkolben 20, 30 sind so im Innenraum 11 angeordnet, dass sie einander berühren. Dadurch wird ein Fluidfluss zwischen den Drehkolben hindurch weitgehend ausgeschlossen. Die Rotationsachsen 21 und 31 können parallel zueinander stehen. Es ist aber auch eine Neigung zwischen den Rotationsachsen 21, 31 möglich, solange ein weitgehend dichtender Kontakt zwischen den Drehkolben 20, 30 gewährleistet ist.
  • Hierzu umfassen die Drehkolben 20, 30 an ihrem jeweiligen Außenumfang auch je einen Zahnkranz 23, 33, welcher mit dem übrigen Teil des zugehörigen Drehkolbens 20, 30 starr verbunden ist. Die beiden Zahnkränze 23, 33 sind so bemessen und angeordnet, dass sie ineinandergreifen. Dadurch drehen sich beide Zahnkränze 23, 33 zusammen und bilden kaum Hohlräume zwischen einander. Fluid kann daher zwischen den beiden Zahnkränzen 23, 33 kaum durchtreten.
  • Außerdem umfassen die Drehkolben 20 und 30 an ihrem jeweiligen Außenumfang Vertiefungen 27, 28 und 37, 38. Die Anzahl der Vertiefungen 27, 28 des ersten Drehkolbens 20 ist gleich der Anzahl an Dichtleisten 35, 36 des zweiten Drehkolbens 30 gewählt. Analog ist die Anzahl der Vertiefungen 37, 38 des zweiten Drehkolbens 30 gleich der Anzahl an Dichtleisten 25, 26 des ersten Drehkolbens 20 gewählt. Zudem sind die Vertiefungen 27, 28, 37, 38 und die Dichtleisten 25, 26, 35, 36 an den beiden Drehkolben 20, 30 so angeordnet, dass bei Rotation der beiden Drehkolben 20 und 30 die Dichtleisten 25, 26 des ersten Drehkolbens 20 gerade auf die Vertiefungen 37, 38 des zweiten Drehkolbens 30 treffen. Ebenso treffen die Dichtleisten 35, 36 des zweiten Drehkolbens 30 gerade auf die Vertiefungen 27, 28 des ersten Drehkolbens 20. Hierzu können beispielsweise am Außenumfang jedes Drehkolbens 20, 30 in jeweils 90°-Abständen eine Vertiefung und eine Dichtleiste abwechseln. In anderen Worten sind die beiden Dichtleisten 25, 26 in einem Azimutwinkel von 180° (das heißt einem 180°-Winkel um die Rotationsachse 21 herum) zueinander beabstandet. Die beiden Vertiefungen 27, 28 sind ebenfalls um einen Azimutwinkel von 180° zueinander versetzt und zusätzlich jeweils um einen Azimutwinkel von 90° zu den Dichtleisten 25, 26 versetzt. Entsprechendes gilt für die Dichtleisten 35, 36 und Vertiefungen 37, 38 des anderen Drehkolbens 30. Grundsätzlich sind auch andere Winkel möglich. Insbesondere wenn mehr als zwei Dichtleisten und zwei Vertiefungen pro Drehkolben 20, 30 vorgesehen werden, ergeben sich auch andere Azimutwinkel. Eine Größe und Form der Vertiefungen ist so gewählt, dass die Dichtleisten in diesen, insbesondere dichtend, aufgenommen werden können.
  • Wie auch die Zahnkränze 23, 33 bewirken die Dichtleisten 25, 26 35, 36 zusammen mit den Vertiefungen 27, 28, 37, 38, dass das Fluid kaum zwischen den beiden Drehkolben hindurch treten kann.
  • Unabhängig von einer momentanen Drehstellung soll zudem stets eine der Dichtleisten 25, 26 35, 36 von jedem Drehkolben 20, 30 eine Dichtung zur Gehäuseinnenwand 12 bereitstellen. Hierfür ist ein Drehwinkel relevant, über den dieselbe Dichtleiste 25, 26 35, 36 eine Dichtung zur Gehäuseinnenwand 12 bewirkt. Dieser Drehwinkel kann, wie in Fig. 1 dargestellt, größer als 180° sein und beispielsweise zwischen 185° und 240° betragen. Hierzu hat die Gehäusewand 12 an jedem der Drehkolben eine Kreisabschnittsform, wobei diese Form einen Kreisabschnitt von größer 180° bildet, also mehr als einen Halbkreis bildet.
  • Die Aufnahme der Dichtleisten 25, 26 35, 36 in ihren zugehörigen Nuten ist näher in Fig. 2 erkennbar. Beispielhaft für alle Dichtleisten 25, 26 35, 36 ist dort die Dichtleiste 35 in ihrem Querschnitt gezeigt. Die Dichtleiste 35 kann profilartig geformt sein, also über ihre Länge (insbesondere in Richtung der Rotationsachse 31) hinweg die gleiche Querschnittsform aufweisen. Wie dargestellt, bildet die Querschnittsform einen Nutenstein. Bei diesem ist zum inneren Ende der Dichtleiste 35 hin ein Kragen 35C gebildet. Dieser greift in eine T-förmige Vertiefung/Nut ein. Dadurch wird verhindert, dass sich der Nutenstein in radialer Richtung aus der Nut des Drehkolbens unbeabsichtigt lösen kann. Ein Einsetzten und Entfernen des Nutensteins 35 ist in Längsrichtung, also in Richtung der Rotationsachse 31, möglich. Durch die Bildung als Nutensteine sind die Dichtleisten einerseits leicht zu befestigen. Andererseits wird auch ein Austauschen vereinfacht. Dies ist bedeutsam, da es aufgrund des dichtenden Kontakts zur Gehäuseinnenwand 12 zu einem allmählichen Abrieb der Dichtleisten 25, 26, 35, 36 kommen kann und so ein Austausch erforderlich werden kann.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt, drückt das Fluid im Innenraum 11 gegen die Drehkolben 20, 30 und diejenigen Dichtleisten 25, 35, die in der momentanen Drehstellung der Drehkolben 20, 30 der Eintrittsöffnung 13 zugewandt sind. Durch diesen Druck drehen sich die Drehkolben 20, 30 in Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile.
  • Für die Drehung und insbesondere die dichtende Wirkung der Dichtleisten 25, 35 ist ihre Form wichtig. Dies wird näher mit Bezug auf Fig. 2 beschrieben. Dort ist eine Dichtleiste 35 gezeigt, welche radial vom Zahnkranz 33 hervorsteht. Die Dichtleiste 35 hat einen Punkt maximaler radialer Ausdehnung, beziehungsweise eine Kante, die sich in die Zeichenebene hinein erstreckt (oder in Richtung der Rotationsachse 31 erstreckt). Von dieser Kante aus hat die Dichtleiste 35 eine Fläche 35A oder Fluidkontaktseite 35A, welche dem einströmenden Fluid zugewandt ist (dies gilt für Drehstellungen, in denen die Dichtleiste 35 die Gehäuseinnenwand 12 kontaktiert). Auf der anderen Seite der genannten Kante hat die Dichtleiste 35 eine weitere Fläche 35B, welche auch als Rückseite 35B bezeichnet wird. Die Rückseite 35B ist nicht dem einströmenden Fluid zugewandt, wenn die Dichtleiste 35 die Gehäuseinnenwand 12 kontaktiert.
  • Die Fluidkontaktseite 35A weist eine Vertiefung oder eine konkave Form auf, während die Rückseite 35B eine nach außen gewölbte oder konvexe Form hat. Hierdurch wird das äußere Ende der Dichtleiste 35, also der radial am weitesten hervorstehende Teil, durch das gegenströmende Fluid quer oder in etwa senkrecht zur radialen Richtung verformt. Somit wird die Dichtleiste 35 gegen die Gehäuseinnenwand 12 gedrückt. In Fig. 2 wird das untere Ende der Dichtleiste 35 in etwa nach links und somit gegen die Gehäuseinnenwand 12 verformt.
  • Vorteilhafterweise kann dadurch eine besonders gute Dichtung erzeugt werden, ohne aber eine ungebührend hohe Reibung zwischen den Dichtleisten und der Gehäuseinnenwand zu erzeugen. Bereits bei verhältnismäßig niedrigem Fluiddruck können die Drehkolben daher vorteilhafterweise in Rotation versetzt werden. Somit können auch Fluide mit niedrigem Druck zur Energienutzung herangezogen werden.
  • Ein möglicher Einsatz ist die Nutzung von Wärme des Abgases einer Verbrennungsmaschine. Beispielsweise stößt ein Verbrennungsmotor von einem Fahrzeug Abgase aus, deren Wärme prinzipiell genutzt werden kann. Die Wärme kann mit einem Wärmetauscher auf ein Fluid in einem Arbeitskreislauf übertragen werden. Beispielsweise kann im Arbeitskreislauf nach dem Prinzip des grundsätzlich bekannten Rankine-Kreisprozesses oder organischen Rankine-Kreislaufes (ORC, englisch: Organic Rankine Cycle) das Arbeitsfluid komprimiert und wieder entspannt werden. Dabei durchläuft es einen Motor, welcher aus der Energie des Fluids eine Rotationsbewegung erzeugt. Als ein solcher Motor wird der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor verwendet. Gerade bei der Abwärmenutzung von Abgasen werden Drücke erzeugt, bei denen bisher eingesetzte Motoren einen eher schlechten Wirkungsgrad haben. Hingegen ermöglicht der erfindungsgemäße Drehkolbenmotor, dass effizient Wärmeenergie von Abgasen genutzt werden kann. Die erzeugte Rotationsenergie kann in prinzipiell beliebiger Weise genutzt werden. Insbesondere kann sie in elektrische Energie umgewandelt werden, etwa mit einem Generator. Die elektrische Energie kann in ein Bordnetz des Kraftfahrzeugs eingespeist und/oder in einer elektrochemischen Batterie oder anderen Speichermitteln gespeichert werden.
  • Zwar wird bei der vorstehenden Ausführungsform eine spezielle Form der Dichtleisten verwendet. Es ist aber zu betonen, dass auch mit anderen Formen grundsätzlich geeignete Dichtungseigenschaften bewirkt werden können und die Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte (bevorzugte) Form der Dichtleisten beschränkt ist. So kann es genügen, wenn die Fluidkontaktseite wie beschrieben gebildet ist. Die andere Seite kann beispielsweise eben sein oder wie die übrige Seite geformt sein. Auch ist möglich, dass die Formen der Fluidkontaktseite und der Rückseite allein an einem Endbereich der Dichtleiste wie beschrieben geformt sind und nicht etwa im gesamten Bereich, der radial über den zugehörigen Zahnkranz hervorsteht. Grundsätzlich kann für hinreichende Dichteigenschaften genügen, dass die Dichtleisten und relativ zum Zahnkranz verformbar oder bewegbar sind und insbesondere nicht einstückig mit dem Zahnkranz gebildet sind.

Claims (14)

  1. Drehkolbenmotor
    - mit einem Gehäuse (10), welches einen Innenraum (11) bildet,
    - mit zwei Drehkolben (20, 30), welche im Innenraum (11) angeordnet sind,
    - mit einer Eintrittsöffnung (13) zum Einleiten eines Fluids in den Innenraum (11) und
    - mit einer Austrittsöffnung (15) für das Fluid, welche sich am Innenraum (11) an einer der Eintrittsöffnung (13) gegenüberliegenden Seite befindet,
    - wobei jeder Drehkolben (20, 30) an seinem Außenumfang mindestens zwei Dichtleisten (25, 26, 35, 36) und mindestens zwei Vertiefungen (27, 28, 37, 38) aufweist,
    - wobei die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) in Radialrichtung zum dichtenden Kontaktieren einer Gehäuseinnenwand (12) bemessen sind,
    - wobei die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) aus einem verformbaren Material bestehen,
    - wobei jede der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) bei einer Drehwinkelstellung des zugehörigen Drehkolbens (20, 30), bei welcher diese Dichtleiste (25, 26, 35, 36) die Gehäuseinnenwand (12) kontaktiert, eine Fluidkontaktseite (35A) aufweist, welche einströmendem Fluid zugewandt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Formen der Vertiefungen (27, 28, 37, 38) und der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) gewählt sind zum dichtenden Eingreifen der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) von jeweils einem der Drehkolben (20, 30) in die Vertiefungen (27, 28, 37, 38) des jeweils anderen Drehkolbens (20, 30), und
    - dass die Fluidkontaktseite (35A) von jeder Dichtleiste (25, 26, 35, 36) eine konkave Form hat.
  2. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Endbereich von jeder Fluidkontaktseite (35A) eine konkave Form hat.
  3. Drehkolbenmotor nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jede der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) eine Rückseite (35B) aufweist, welche der Fluidkontaktseite (35A) gegenüberliegt und bei einer Drehwinkelstellung des zugehörigen Drehkolbens (20, 30), bei welcher diese Dichtleiste (25, 26, 35, 36) die Gehäuseinnenwand (12) kontaktiert, nicht einströmendem Fluid zugewandt ist, und
    dass die Rückseite (35B) konvex geformt ist.
  4. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Drehkolben (20, 30) an ihrem jeweiligen Außenumfang Nuten zum Aufnehmen und Halten der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) aufweisen und
    dass die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) als Nutensteine gebildet sind zum haltenden Eingreifen in die Nuten des jeweiligen Drehkolbens (20, 30).
  5. Drehkolbenmotor nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Nuten als T-Nuten geformt sind und jeder der Nutensteine einen seitlich hervorstehenden Kragen (35C) zum Eingreifen in eine der T-Nuten umfasst.
  6. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeder Drehkolben (20, 30) genau zwei Dichtleisten (25, 26, 35, 36) an gegenüberliegenden Winkelpositionen an seinem Außenumfang umfasst und dass jeder Drehkolben (20, 30) genau zwei Vertiefungen (27, 28, 37, 38) umfasst, welche sich am Außenumfang an Winkelpositionen befinden, die jeweils um 90° zu den Winkelpositionen der beiden Dichtleisten (25, 26, 35, 36) versetzt sind.
  7. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) so bemessen sind und eine Gehäuseinnenwand (12) so geformt ist, dass die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) innerhalb eines Drehwinkelbereichs der Drehkolben (20, 30) die Gehäuseinnenwand (12) dichtend kontaktieren.
  8. Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass jeder der Drehkolben (20, 30) an seinem Außenumfang einen Zahnkranz (23, 33) aufweist und
    dass die Drehkolben (20, 30) so angeordnet sind, dass ihre Zahnkränze (23, 33) ineinandergreifen.
  9. Drehkolbenmotor nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) in radialer Richtung von ihrem jeweiligen Drehkolben (20, 30) weiter nach außen ragen als der jeweilige Zahnkranz (23, 33).
  10. Drehkolbenmotor nach Anspruch 8 oder 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) über den jeweiligen Zahnkranz (23, 33) um eine Radialstrecke hervorstehen, welche zwischen 5% und 30%, insbesondere zwischen 10% und 25%, eines Radius des Zahnkranzes (23, 33) beträgt.
  11. Abwärmenutzungssystem
    mit einem Arbeitsfluidkreislauf, in welchem ein Fluid zirkuliert wird,
    mit einem Wärmetauscher, durch welchen Wärme von einem Medium auf das Fluid im Arbeitsfluidkreislauf übertragbar ist,
    wobei der Arbeitsfluidkreislauf als Kreisprozess gestaltet ist, insbesondere als organischer Rankine-Kreisprozess, und Mittel aufweist zum Umwandeln von Wärmeenergie des Fluids in Bewegungsenergie,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Arbeitsfluidkreislauf einen Drehkolbenmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10 umfasst, in welchem durchströmendes Fluid entspannt und somit eine Rotation der Drehkolben (20, 30) bewirkt wird.
  12. Abwärmenutzungssystem nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Generator vorhanden und dazu eingerichtet ist, Rotationsenergie des Drehkolbenmotors in elektrische Energie umzuwandeln.
  13. Fahrzeug mit einem Abwärmenutzungssystem nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet,
    dass der Wärmetauscher so angeordnet ist, dass Abgaswärme auf das Fluid übertragbar ist.
  14. Verfahren zum Betreiben eines Drehkolbenmotors,
    - bei dem durch eine Eintrittsöffnung (13) ein Fluid in einen Innenraum (11) eines Gehäuses (10) des Drehkolbenmotors geleitet wird,
    - bei dem in dem Innenraum (11) zwei Drehkolben (20, 30) angeordnet sind, welche durch das Fluid in Rotation versetzt werden,
    - wobei jeder Drehkolben (20, 30) an seinem Außenumfang mindestens zwei Dichtleisten (25, 26, 35, 36) und mindestens zwei Vertiefungen (27, 28, 37, 38) aufweist,
    - wobei die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) in Radialrichtung zum dichtenden Kontaktieren einer Gehäuseinnenwand (12) bemessen sind,
    - wobei die Dichtleisten (25, 26, 35, 36) aus einem verformbaren Material bestehen,
    - wobei jede der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) bei einer Drehwinkelstellung des zugehörigen Drehkolbens (20, 30), bei welcher diese Dichtleiste (25, 26, 35, 36) die Gehäuseinnenwand (12) kontaktiert, eine Fluidkontaktseite (35A) aufweist, welche einströmendem Fluid zugewandt ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    - dass die Formen der Vertiefungen (27, 28, 37, 38) und der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) gewählt sind zum dichtenden Eingreifen der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) von jeweils einem der Drehkolben (20, 30) in die Vertiefungen (27, 28, 37, 38) des jeweils anderen Drehkolbens (20, 30),
    - dass das von der Eintrittsöffnung (13) kommende Fluid gegen einige der Dichtleisten (25, 26, 35, 36) drückt, wodurch diese Dichtleisten (25, 26, 35, 36) gegen die Gehäuseinnenwand (12) gedrückt werden, und
    - dass die Fluidkontaktseite (35A) von jeder Dichtleiste (25, 26, 35, 36) eine konkave Form hat.
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