[0001] Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine mit wenigstens einem Gehäuse,
das einen eine kreisförmige Grundform aufweisenden Kolben umschließt, wobei Gehäuse
und Kolben relativ zueinander um eine durch den Kreismittelpunkt vertaufende Rotationsachse
verdrehbar angeordnet sind, wobei eine Kolbenfläche und eine dieser zugewendete Gehäusewandfläche
mit eine Kammer bildenden Ausnehmungen versehen sind und in zumindest einem Schlitz
des Kolbens wenigstens ein zwangsgesteuerter, gegebenenfalls mehrteilig ausgebildeter
Schieber derart verschiebbar geführt ist, daß er mit seinen Endflächen an einer Begrenzungswand
der Ausnehmungen dichtend anlegbar ist.
[0002] Derartige Rotationskolbenmaschinen sind bereits bekannt. Sie können sowohl als Motor,
beispielsweise als Verbrennungskraftmotor und als hydraulisch und pneumatisch betriebener
Motor, als Turbine, beispielsweise als Gas- oder Dampfturbine, und als Verdichter,
beispielsweise als Luftverdichter, eingesetzt werden. In der Regel führt der Kolben
innerhalb des feststehenden Gehäuses eine Drehbewegung aus, es ist aber auch möglich,
das Gehäuse um den feststehenden Kolben rotieren zu lassen. Damit bei der Rotationsbewegung
die zwischen der Kolbenoberfläche und der dieser zugewendeten Wandfläche des Gehäuses
vorgesehene Kammer ihr Volumen verändert, was für den Verdichtungs- bzw. Expansionsvorgang
erforderlich ist, kann sowohl die Wandfläche des Gehäuses als auch die dieser zugewendete
Kolbenoberfläche in Bezug auf die Rotationsachse rotationsunsymmetrisch ausgebildet
sein bzw. es können auch beide Flächen rotationsunsymmetrisch ausgebildet sein.
[0003] Es sind bereits Rotationskolbenmaschinen bekannt, bei welchen in einem Schlitz des
Kolbens durch eine Nocke zwangsgesteuerte Schieber parallel zur Rotorachse verschiebbar
angeordnet sind. Derartige Rotationskolbenmaschinen sind kompliziert in ihrem Aufbau.
Bei einer anderen bekannten Rotationskolbenmaschine umfaßt der Rotor konzentrische
Innen- bzw. Außenzylinder, einen umlaufenden Steg zur Verbindung dieser Zylinder und
einen radial von der äußeren Oberfläche des Außenzylinders vorspringenden, umlaufenden
Steg. Die Stege sind wellenförmig ausgebildet und die auf den gegenüberliegenden Seiten
der Stege durch die Wellen entstehenden Hohlräume bilden die Arbeitskammern. Auch
diese Ausführungsform ist äußerst kompliziert in ihrem Aufbau und schwierig herzustellen.
[0004] Bei einer weiters bekannten Flügelzellenmaschine ist der Rotor mit einem einen Trennschieber
tragenden Käfig versehen und exzentrisch gelagert, sodaß er eine Taumelbewegung ausführt.
[0005] Schließlich sind Rotationskolbenmaschinen bekannt, bei welchen in einem Gehäuse gelagerte
Schieber vorgesehen sind.
[0006] Eine Rotationskolbenmaschine gemäß der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE-PS
631 254 bekanntgeworden. Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt,
eine derartige bekannte Rotationskolbenmaschine in ihrem konstruktiven Aufbau zu vereinfachen
und die Funktionstüchtigkeit zu verbessern.
[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, daß im Bereich jedes Schiebers
und der zugehörigen Teile der Kolbenflächen jeweils eine Ausnehmung angeordnet ist
und daß die Anzahl der Schieber der Anzahl der Ausnehmungen entspricht. Arbeitet beispielsweise
die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine als Motor, so findet Kompression und
Verbrennung direkt in den Ausnehmungen statt, welchen somit das Gemisch direkt zugeführt
wird bzw. aus welchem die verbrannten Gase direkt abgeführt werden können. Es sind
also keine besonderen Vorkehrungen notwendig, durch welche Ansaugkanäle und Auslaßkanäle
unterteilt werden, und durch die konstruktiv einfache Form werden die bei bekannten
Konstruktionen auftretenden Dichtungsprobleme beseitigt. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen
Rotationskolbenmaschine als Verdichter dienen die Ausnehmungen als Kompressionskammern,
bei Verwendung der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine als Gas- oder Dampfturbine
gleichfalls als Verdichtungskammern, wodurch der Antrieb des rotierenden Teiles erfolgt.
[0008] Die erfindungsgemäße Rotationskolbenmaschine kann verschiedenartig ausgebildet sein.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist bzw. sind der bzw. die Schieber
im Kolben parallel zur Rotationsachse verschiebbar und die Begrenzungswände der Ausnehmungen,
an welchen die Endflächen der Schieber anliegen, weisen, gemessen von einer Normalebene
zur Rotationsachse und parallel zur Rotationsachse, unterschiedliche Abstände auf,
sodaß Kammern mit sich veränderndem Volumen gebildet werden.
[0009] Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine ist
bzw. sind der bzw. die Schieber radial zur Rotationsachse verschiebbar und die Begrenzungswände
der Ausnehmungen weisen von der kreisförmigen Grundform in radialer Richtung abweichende
Abstände auf. Bei einer solchen Ausführungsform ist es möglich, daß der mit dem bzw.
den Schieber(n) in einem funktionellen Zusammenhang stehende Teil des Kolbens, also
jener Teil des Kolbens, in dem entweder der Schieber verschiebbar geführt ist, oder
jener Teil, der die eine unsymmetrische Form aufweisende Fläche besitzt, an der der
Schieber dichtend anliegt, die Form eines um die Rotationsachse rotierenden Hohlzylinders
aufweist. Im letzteren Fall besitzt dieser Teil des Kolbens infolge der unsymmetrischen
Form seiner Oberfläche allerdings nicht die Form eines Kreiszylinders, sondern weicht
von der Kreisform ab. Eine derartige Ausführungsform ermöglicht es, an zwei einander
gegenüberliegenden Seiten des die Form eines Hohlzylinders aufweisenden Kolbens Anlageflächen
für den bzw. die Schieber vorzusehen, wodurch zu beiden Seiten dieses Hohlzylinders
durch die Schieber begrenzte Kammern mit sich bei der Rotation veränderndem Volumen
gebildet werden.
[0010] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Anordnung so getroffen,
daß der Schlitz bzw. die Schlitze sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des Kolbens
erstreckt bzw. erstrecken, und daß der Schieber bzw. die Schieber den Schlitz durchsetzt
bzw. durchsetzen und an den beiden Enden mit Begrenzungswänden der Ausnehmungen zusammenwirken.
In jedem Fall können hiebei beide aus den Durchgangsöffnungen herausragenden Enden
der Schieber an unsymmetrisch ausgebildeten Gehäusewandflächen bei der Rotation des
Kolbens anliegen, wobei diese Gehäusewandflächen natürlich gegengleich ausgebildet
sein müssen, sodaß der Abstand zwischen den beiden unsymmetrisch ausgebildeten Gehäusewandflächen
stets der Länge der Schieber entspricht. Es werden dann durch einen einzigen Schieber
jeweils zwei an gegenüberliegenden Seiten des Kolbens vorgesehene, in ihrem Volumen
veränderbare Kammern dichtend begrenzt.
[0011] Die Schieber können einstückig und ohne irgendwelche Öffnungen ausgebildet sein,
in welchem Fall die Schieber lediglich eine Abdichtung der von diesen Schiebern begrenzten
Kammern bewirken, eine Verbindung zwischen solchen Kammern jedoch bei keiner Schieberstellung
stattfindet. Häufig ist es jedoch erwünscht, daß bei bestimmten Schieberstellungen
benachbarte Kammern miteinander verbunden werden sodaß ein Überströmen des in einer
Kammer befindlichen Mediums in die benachbarte Kammer stattfindet. Um dies zu ermöglichen,
kann bzw. können der Schlitz bzw. die Schlitze sich zwischen gegenüberliegenden Seiten
des Kolbens erstrecken und der Schieber bzw. die Schieber durchsetzt bzw. durchsetzen
den Schlitz und wirken an den beiden Enden mit Begrenzungswänden der Ausnehmungen
zusammen.
[0012] Es kann aber auch der Schieber aus zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen
bestehen, von welchen jeder mit einem Verbindungskanal versehen ist, wobei die Verbindungskanäle
in den beiden Teilen so angeordnet sind, daß sie bei einer Änderung der Steigung der
Begrenzungswände miteinander kommunizieren.
[0013] In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen schematisch erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotationsmaschine im
Querschnitt nach der Linie I-I in Fig. 2 und Fig. 2 teilweise im Längsschnitt nach
der Linie II-II in Fig. 1. Die Fig. 3A bis 3C stellen einen aus zwei Teilen bestehenden
Schieber in verschiedenen Lagen dieser beiden Teile dar. Fig. 3D zeigt eine Ausführungsform
eines einteiligen Schiebers. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform
nach der Linie IV-IV in Fig. 5 und Fig. 5 einen Längsschnitt nach der Linie V-V in
Fig. 4. Fig. 6 stellt eine dritte Ausführungsform im Querschnitt nach der Linie VI-VI
in Fig. 7 und Fig. 7 einen Längsschnitt nach der Linie VII-VII in Fig. 6 dar.
[0014] Die in den Fig 1 und 2 dargestellte Rotationsmaschine weist einen Kolben 1 auf, der
um eine Rotationsachse 2 in einem aus zwei Teilen 3,4 bestehenden Gehäuse mittels
Wälzlagem 5 drehbar gelagert ist. Die beiden Gehäuseteile 3,4 sind über einen den
Umfang dieser Teile umgebenden Ring 6 dicht verbunden.
[0015] Der Kolben 1 besteht bei dieser Ausführungsform aus einer Scheibe, in welcher sich
parallel zur Rotationsachse 2 erstreckende Schlitze 7 vorgesehen sind. In diesen Schlitzen
sind aus zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen 8',8'' bestehende Schieber
8 verschiebbar geführt, die in den Fig. 3A bis 3C in größerem Maßstab dargestellt
sind. Die beiden Enden dieser Schieberteile 8',8'' liegen an einer eine unsymmetrische
Form aufweisenden Begrenzungswand 9', 9'' an. Der Abstand dieser Begrenzungswände
9',9'' zu einer Normalebene zur Rotationsachse 2 ändert sich entlang des Umfanges
derart, daß diese Begrenzungswände während des Umlaufes des Kolbens 1 zunächst an
den Kolbenflächen 10',10'' anliegen und dann über eine positive bzw. negative Steigung
in einen Bereich übergehen, wo diese Begrenzungswände in Abstand von den Kolbenflächen
10',10'' angeordnet sind. Die gegenseitige Lage der beiden Begrenzungswände 9',9''
muß aber stets eine solche sein, daß die Enden der Schieberteile 8',8'' stets dichtend
an diesen Begrenzungswänden anliegen. Durch diese Ausbildung entstehen von den Schiebern
begrenzte Ausnehmungen 11 mit sich während der Rotation des Kolbens 1 änderndem Volumen.
Im Gehäuseteil 4 ist eine in eine solche Ausnehmung 11 mündende Einlaßbohrung 12 vorgesehen,
im Gehäuseteil 3 eine (nicht dargestellte) Auslaßbohrung. Weiters ist bei Verwendung
als Verbrennungskraftmotor an geeigneter Stelle eine Zündvorrichtung angeordnet.
[0016] Die Schieberteile 8',8'' werden durch die unsymmetrisch ausgebildeten Begrenzungswände
9',9'' zwangsgesteuert, wobei die Form derselben den Hubraum der Maschine bestimmen
und der Grad der Steigung die Steuerzeit, den Zündzeitpunkt, den Gaswechsel, das Saugverhalten
und anderes mehr beeinflußt.
[0017] Wird die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Maschine als Verbrennungskraftmaschine
betrieben, so wird durch die Ansaugöffnung 12 an der Rückseite eines aus den beiden
Teilen 8',8'' bestehenden Schiebers ein Gas-Luftgemisch angesaugt. Die Ansaugöffnung
befindet sich im Bereich einer Steigung der Begrenzungswände 9' bzw. 9'', sodaß die
beiden Teile 8', 8'' die in Fig. 3A gezeigte Stellung einnehmen. In diesen Teilen
befinden sich Verbindungskanäle 13',13'', die in dieser Stellung abgeschlossen sind.
[0018] Bewegt sich der Kolben 1 in Fig. 1 im Uhrzeigersinn, so wird das Gas-Luftgemisch
in die Ausnehmung gesaugt und dort gegen eine positive Steigung gedrückt sodaß eine
Verdichtung stattfindet. Die Abdichtung der Ausnehmung erfolgt durch die Schieberteile
8',8'' sowie durch Anliegen des Kolbens an den Wandflächen der Gehäuseteile 3,4. Die
beiden Schieberteile 8',8'' nehmen hier die in Fig. 3B dargestellte Lage ein, in der
die Verbindungskanäle 13', 13'' gleichfalls verschlossen sind.
[0019] Beim Auflaufen der Schieberteile 8',8'' gegen die positive Steigung des Gehäuseteiles
4 werden diese Teile in die in Fig. 3C dargestellte Lage verschoben, wodurch über
die Verbindungskanäle 13',13'' eine Verbindung hergestellt wird, über die das komprimierte
Gas-Luftgemisch in die im Gehäuseteil 3 befindliche Ausnehmung 11 strömen kann. Die
Zeit, während welcher ein solches Überströmen erfolgt, wird durch die Länge der Steigung
bestimmt. Anschließend werden die Verbindungskanäle 13', 13'' wieder verschlossen
und unmittelbar danach findet am Höhepunkt der Kompression die Zündung des Gas-Luftgemisches
statt. Durch die Explosion wird der Kolben 1 in Richtung des geringeren Widerstandes,
also in Rotationsrichtung, verdreht, wobei das verbrannte Gas zur Auslaßöffnung gefördert
und dort abgeführt wird.
[0020] Durch diese Bauweise und Anordnung der Schieber können bei jeder vollen Umdrehung
des Kolbens 1 zwei volle Krafthübe durchgeführt werden.
[0021] Anstelle des aus zwei Teilen 8', 8'' bestehenden Schiebers kann auch ein aus einem
einzigen Teil bestehender Schieber 8 vorgesehen sein, der mit einem Verbindungskanal
13 ausgestattet ist, wie dies in Fig. 3D dargestellt ist.
[0022] Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte Maschine kann auch als Turbine und als Verdichter
für Druckluft, Dampf od.dgl. verwendet werden. In diesem Fall werden aus einem einzigen
Teil bestehende Schieber 8 verwendet, die keine Verbindungskanäle aufweisen. Über
die Einlaßbohrung 12 wird beispielsweise Druckluft zugeführt, die auf den Schieber
8 einwirkt und dadurch den Kolben 1 in eine Drehbewegung versetzt und schließlich
über eine Auslaßöffnung wieder entweicht. Dieser Vorgang kann jeweils um beispielsweise
180° versetzt in den zu beiden Seiten des Kolbens 1 vorgesehenen Ausnehmungen 11 erfolgen.
[0023] Soll die Maschine als Verdichter arbeiten, so wird der Kolben angetrieben, wodurch
eine Kompression des zugeführten Gases erfolgt.
[0024] Die in den Fig. 4 und 5 dargestelle Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach den Fig. 1 und 2 dadurch, daß die aus den beiden Teilen 8',8'' bestehenden Schieber
radial zur Rotationsachse 2 verschiebbar in einem Hohlzylinder 1' geführt sind, der
einen Teil des Kolbens 1 bildet. Die eine unsymmetrische Form aufweisenden Flächen
9',9'' sind von Begrenzungswänden gebildet, die sich etwa parallel zur Rotationsachse
2 erstrecken und welche die Zwangssteuerung der Schieberteile 8',8'' bewirken, welche
an diesen Begrenzungswänden 9',9'' dichtend anliegen. Die unsymmetrische Form dieser
Begrenzungswände ist in Fig. 4 klar erkennbar. Auch bei dieser Ausführungsform kann
wieder anstelle des aus zwei Teilen bestehenden Schiebers ein lediglich aus einem
einzigen Teil bestehender Schieber 8 entsprechend Fig. 3D verwendet werden. In Fig.
4 ist nicht nur die Einlaßöffnung 12, sondern auch die Auslaßöffnung 14 ersichtlich.
[0025] Bei Verwendung der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Maschine als Verbrennungskraftmaschine
wird durch die Ansaugöffnung 12 an der Rückseite des aus den Teilen 8',8'' bestehenden
Schiebers ein Gas-Luftgemisch angesaugt. Die Verbindungskanäle 13',13'' in den Schieberteilen
8',8'' sind hiebei verschlossen. Durch die Drehbewegung des Kolbens 1 wird das Gas-Luftgemisch
gegen die positive Steigung der Begrenzungswand 9' gedrückt, wobei eine Verdichtung
stattfindet. Wenn die Teile 8',8'' in den Bereich dieser positiven Steigung gelangen,
so werden sie derart gegeneinander verschoben, daß die Verbindungskanäle 13',13''
miteinander fluchten, sodaß das komprimierte Gas in die vom Gehäuseteil 3 begrenzte
Ausnehnmung 11 überströmen kann, wobei unmittelbar nach dem Verschließen dieser Verbindungskanäle
13',13'' bei 15 die Zündung des Gas-Luftgemisches stattfindet. Durch die Explosion
wird der Kolben 1 in Drehrichtung bewegt und dabei das verbrannte Gas zur Auslaßöffnung
14 transportiert und dort ausgeschoben. Der Verschluß der Einlaßöffnung 12 und der
Auslaßöffnung 14 erfolgt jeweils durch die Schieberteile 8',8'', wobei die beiden
Schieber beim Ausführungsbeispiel um jeweils 180° versetzt angeordnet sind, sowie
durch jenen Bereich der Begrenzungswände, der an den Kolbenflächen dichtend anliegt.
[0026] In den Fig. 6 und 7 ist eine erfindungsgemäße Rotationsmaschine in ihrer Verwendung
als Turbine oder als Verdichter für Druckluft, Dampf od.dgl. dargestellt. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich in konstruktiver Hinsicht von der in den Fig. 4 und 5 dargestellten
Ausführungsform lediglich dadurch, daß einstückige Schieber 8 ohne Verbindungskanal
vorgesehen sind. Bei Verwendung als Turbine wird durch die Einlaßöffnung 12 beispielsweise
Druckluft zugeführt, die in die Ausnehmung 11 gelangt und auf den Schieber 8 derart
einwirkt, daß der Kolben 1 in Drehbewegung versetzt wird, bis der Schieber 8 die im
Gehäuseteil 4 vorgesehene Auslaßöffnung 14 überstreicht und die Druckluft aus dieser
Auslaßöffnung austritt. Auch über die im Gehäuseteil 3 vorgesehene, gegenüber der
Einlaßöffnung 12 um etwa 180° versetzte Einlaßöffnung 12' erfolgt eine Druckluftzufuhr,
die auf den Schieber 8 einwirkt und anschließend über die Auslaßöffnung 14' entweicht.
[0027] Wird die in den Fig. 6 und 7 dargestellte Maschine als Verdichter verwendet, so wird
das über die Einlaßöffnungen 12,12' zugeführte Gas durch den angetriebenen Kolben
in den Ausnehmungen 11 verdichtet, bevor es über die Auslaßöffnungen 14,14' austritt.
[0028] Die Zeichnungen stellen nur den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Maschine
dar. Die erforderlichen konstruktiven Maßnahmen zur Erzielung der notwendigen Dichtheit
sowie der Schmierung, Steuerung usw. sind nicht dargestellt und die Ausführung derselben
ist mittels bekannter konstruktiver Maßnahmen vorzunehmen.
1. Rotationskolbenmaschine mit wenigstens einem Gehäuse (3,4), das einen eine kreisförmige
Grundform aufweisenden Kolben (1) umschließt, wobei Gehäuse (3,4) und Kolben (1) relativ
zueinander um eine durch den Kreismittelpunkt verlaufende Rotationsachse (2) verdrehbar
angeordnet sind, wobei eine Kolbenfläche und eine dieser zugewendeten Gehäusewandfläche
(9',9'') mit eine Kammer bildenden Ausnehmungen (11) versehen sind und in zumindest
einem Schlitz (7) des Kolbens (1) wenigstens ein zwangsgesteuerter, gegebenenfalls
mehrteilig ausgebildeter Schieber (8;8',8'') derart verschiebbar geführt ist, daß
er mit seinen Endflächen an einer Begrenzungswand (9',9'') der Ausnehmungen (11) dichtend
anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich jedes Schiebers (8,8',8'') und
der zugehörigen Teile der Kolbenflächen (10',10'') jeweils eine Ausnehmung (11) angeordnet
ist und daß die Anzahl der Schieber (8;8',8'') der Anzahl der Ausnehmungen (11) entspricht.
2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die
Schieber (8,8',8'') im Kolben (1) parallel zur Rotationsachse (2) verschiebbar ist
bzw. sind und daß die Begrenzungswände der Ausnehmungen (11), an welchen die Endflächen
der Schieber anliegen, gemessen von einer Normalebene zur Rotationsachse (2) und parallel
zur Rotationsachse (2) unterschiedliche Abstände aufweisen (Fig.1,2).
3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die
Schieber (8,8',8'') radial zur Rotationsachse (2) verschiebbar ist bzw. sind und daß
die Begrenzungswände der Ausnehmungen (11) von der kreisförmigen Grundform in radialer
Richtung abweichende Abstände aufweisen (Fig.4,5).
4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem bzw.
den Schieber(n) (8;8',8'') in einem funktionellen Zusammenhang stehende Teil des Kolbens
(1) die Form eines um die Rotationsachse (2) rotierenden Hohlzylinders (1') aufweist.
5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schlitz bzw. die Schlitze (7) sich zwischen gegenüberliegenden Seiten des
Kolbens (1) erstreckt bzw. erstrecken und daß der Schieber bzw. die Schieber (8,8',8'')
den Schlitz (7) durchsetzt bzw. durchsetzen und an den beiden Enden mit Begrenzungswänden
(9',9'') der Ausnehmungen (11) zusammenwirken.
6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schieber aus zwei relativ zueinander verschiebbaren Teilen (8',8'') besteht,
von welchen jeder mit einem Verbindungskanal (13) versehen ist, wobei die Verbindungskanäle
(13) in den beiden Teilen (8',8'') so angeordnet sind, daß sie bei einer Änderung
der Steigung der Begrenzungswände (9',9'') miteinander kommunizieren.