Drehkolbenkraft- und Arbeitsmaschine mit periodisch veränderlichen Drehgeschwindigkeiten

Abstract

 Die Erfindung schlägt eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung vor, die sich kennzeichnet durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitkammern schaffende Rotationskolben (2, 3) mit einem festen Rotationszentrum (4), wobei die beiden Kolben getrennte, konzentrisch angeordnete Wellenabgänge (11, 14) aufweisen, welche über ein Getriebe (12, 13, 15, 16) mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen so verkoppelt sind, daß die beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben während der Drehbewegung eine Relativbewegung von-und zueinander ausführen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung.

[0002] Am bekanntesten sind Motore und Verdichter nach dem Wankelprinzip, das den Nachteil aufweist, daß die drei die einzelnen Arbeitskammern trennenden Kanten des Rotationskolbens sehr schmal ausgebildet sind. Dadurch treten große Dichtigkeitsprobleme auf, denn im Gegensatz zum Hubkolbenmotor können auf der schmalen Kante nicht mehrere Dichtungen hintereinander angeordnet werden. Insbesondere in den Außenecken des abzudichtenden Verbrennungsraumes ist eine Abdichtung besonders schwer. Weiterhin dreht sich der Kolben nicht um ein festliegendes Rotationszentrum, was sich negativ auf den Platzbedarf und auf die Laufruhe auswirkt. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung, mit vereinfachter Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern, verbesserter Laufruhe und günstigerem Masse-Leistungsverhältnis zu schaffen.

[0003] Diese Aufgabe wird gelöst durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitskammern schaffende Rotationskolben mit einem festen Rotationszentrum, wobei die beiden Kolben getrennte, konzentrisch angeordnete Wellenabgänge aufweisen, welche über ein Getriebe mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen so verkoppelt sind, daß die beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben während der Drehung eine Relativbewegung von- und zueinander ausführen.

[0004] Die Anordnung weist den Vorteil auf, daß die beiden Kolben ein gemeinsames Rotationszentrum besitzen, daß alle sich bewegenden Massepunkte einen konstanten Abstand zu diesem Zentrum haben und daß vollkommene Rotationssymmetrie vorliegt.

[0005] Besonders günstig erscheint es daher, daß der Abstand der Arbeitskammern vom Rotationszentrum und die Geometrie der Arbeitsflächen der Kolbensegmente nahezu frei wählbar ist. Diese konstruktive Freiheit wirkt sich begünstigend auf die Optimierung von Kraft- und Arbeitsmaschinen aus.

[0006] Es ist weiterhin als Vorteil zu betrachten, daß bei der konstruktiven Gestaltung der beiden ineinander verschachtelten Rotationskolben nur wenige einschränkende Bedingungen berücksichtigt werden müssen, was eine Vielzahl von Lösungsmöglichkeiten zuläßt, wobei die einschränkenden Bedingungen sich nur auf die notwendige Relativbewegung der beiden Rotationskolben und auf das Abdichtproblem der einzelnen Arbeitskammern beziehen.

[0007] Weiterhin ist es im Sinne einer besseren Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern vorteilhaft, daß zwischen allen sich bewegenden Teile eine großflächige gegenseitige Berührung möglich ist.

[0008] Als weiterer Vorteil ist noch anzuführen, daß durch geeignete Anordnung der Ein- und Auslaßkanäle immer abgesichert werden kann, daß niemals ein gleichzeitiger Zugang von Ein- und Auslaßkanal zu einer Arbeitskammer möglich ist.

[0009] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.

[0010] In einem meist wassergekühlten Gehäuse 1, dessen Innenraum die Form eines flachen Zylinders hat, drehen sich zwei ineinander verschachtelte Rotationskolben 2 und 3 um ein feststehendes Rotationszentrum, was der gedachten Achse 4 entspricht. Die Form der beiden Kolben 2 und 3 entspricht im wesentlichen einem flachen Grundzylinder mit jeweils zwei fest verbundenen, sich axialsymmetrisch gegenüberliegenden Kolbensegmenten 18, wobei der sogenannte Außenkolben 2 innerhalb seines "Grundkreises" hohl ist und der sogenannte Innenkolben 3 innerhalb seines "Grundkreises" so schmal ist, daß er drehbar im Außenkolben 2 angeordnet ist. Die "Kolbensegmente" 18 des Innenkolbens 3 befinden sich zwischen den Aussparungen der Kolbensegmente 19 und 22 des Außenkolbens 2, wobei die Aussparungen so groß bemessen sind, daß der Innenkolben 3 bei feststehendem Außenkolben 2 eine beschränkte Rotationsbewegung um die den beiden Kolben gemeinsame gedachte Achse 4 vor und zurück durchführen könnte.

[0011] Die Umfangsmaße der beiden Rotationskolben sind gleich groß, d.h. die "Kolbensegmente" 18 erstrecken sich radial gleich weit, wobei diese Strecke nur um ein Geringes kleiner ist als der Innenradius des Gehäuses 1.

[0012] Weiterhin weisen die "Kolbensegmente" der beiden Rotationskolben die gleiche Dicke auf, wobei diese Dicke nur um ein Geringes kleiner ist als die innere Weite des Gehäuses 1. Dadurch und durch die nicht dargestellten Dichtungen wird ein Abschnitt 5 der Aussparung zwischen den "Kolbensegmenten" des Außenkolbens 2 und des Innenkolbens 3 zu einem Verbrennungsraum, der begrenzt wird durch wirkende Arbeitsflächen bildende "Segmentflanken" 6 und 7 und die auf dem "Grundkreis" der beiden Kolben liegenden Flächenabschnitte 8 und 9 sowie durch Abschnitte der Umfangs-und Seitenwände des Gehäuses 1.

[0013] Die beiden konzentrisch gelagerten Wellenabgänge 11 und 14 sind jeweils durch eine Ovalräderpaarung über die Arbeitswelle 1₀ (Momentensummenwelle) miteinander verkoppelt, so daß ein durch die Ubertragungsfunktion des Getriebes definierter Zwangslauf der beiden Rotationskolben erzeugt wird. Da die beiden Ovalräder 16 und 13 auf der Abtriebswelle 1o um 9₀° (zwei Totlagen) versetzt sind, ist die Bewegungsperiode der beiden Rotationskolben bezüglich der übertragungsfunktion einer Ovalräderpaarung ebenfalls um 9₀° verschoben, wodurch die während der Drehung stattfindende Relativbewegung der beiden Rotationskolben von- und zueinander erzwungen wird, d.h. wirkt ein Druck auf die beiden "Segmentflanken" 6 und 7 einer Arbeitskammer 5 über den Winkelbereich von minimalen Volumen bis maximalen "Kammervolumen", so wird von beiden Rotationskolben ein Drehmoment gleicher Größe auf die Wellenabgänge 11 und 14 übertragen, die jedoch entgegengerichtet wirken. Durch die Verschiebung der Übertragungsperiode der beiden Ovalräderpaarungen um 9₀° wird das Drehmoment eines Rotationskolbens zur Abtriebswelle 1₀ (Momentsummenwelle) hin reduziert und das andere verstärkt, was sich zwangsläufig aus den momentanen Übersetzungsverhältnissen der Ovalräderpaarungen ergibt. Die additive Überlagerung der beiden vom Betrag und Vorzeichen her verschiedenen Drehmomente ergeben an der Abtriebswelle (Momentensummenwelle) ein resultierendes Moment, wodurch die Drehung beider Kolben in einer Richtung erzwungen wird, wobei der Differenzbetrag als Abtriebsmoment zur Verfügung steht. Der Differenzbetrag bewegt sich immer zwischen Null und dem durch das Achsverhältnis der Ovalräder bestimmten Maximalwert.

[0014] Hat nun die unter Druck stehende Arbeitskammer 5 ihr maximales Volumen erreicht, hat auch das periodische Getriebe seine nächste Totlage erreicht und das resultierende Moment der Abtriebswelle wechselt sein Vorzeichen. In dieser Arbeitsstellung muß sich die unter Druck stehende Kammer entspannen können.

[0015] Da nun die nächste Kammer 17 wieder am Zündpunkt ist, tritt auch ein Wechsel der Wirkrichtung des Druckes bezüglich der Rotationskolben auf, was einen Gleichrichtereffekt des resultierenden Moments bewirkt.

[0016] Da bezüglich der Abtriebsachse nur alle 9₀° eine Vorzeichenumkehrung des resultierenden Moments auftritt und ein Flankenwechsel nur in 45° Abständen zulässig ist, müssen zwei 45° Perioden übersprungen werden, wenn das resultierende Moment nur in einer Richtung wirken soll. Dadurch wird auch gleichzeitig erreicht, daß der momentan langsamere Kolben in Drehrichtung beschleunigt und der schnellere abgebremst wird, d.h. der in der Kammer herrschende Druck hat immer optimale Wirkrichtung bezüglich der vorzeichenbehafteten Beschleunigung der Rotationskolben.

[0017] Bezüglich der Abtriebswelle und der Wanderung der Kammermittelpunkte läuft über jeweils 18o° ein Viertaktprozeß ab, d.h. über den Winkelbereich von 0 bis 45° der Verbrennungsprozeß, von 45° bis 90⁰ der Auslaßvorgang, von 90° bis 135° der Ansaugvorgang und von 135° bis 180° der Verdichtungsprozeß. Für die axialsymmetrisch gegenüberliegende Kammer läuft immer der gleiche Prozeß ab, was sich über den Winkelbereich von 180° bis 360° erstreckt.

[0018] Insgesamt werden von den beidenRotationskolben 2 und 3 und dem Gehäuse 1 vier Brennkammern ausgebildet, wovon jede während einer Umdrehung zwei Viertaktprozesse durchläuft.

[0019] Vernachlässigt man die zeitliche Änderung des Verbrennungsdruckes, so wandern die Kammermittelpunkte mit konstanter Winkelgeschwindigkeit um das Rotationszentrum und die Abtriebswelle dreht sich mit derselben konstanten Winkelgeschwindigkeit, was sich aus der Mittelwertbildung der beiden Ovalräderpaarungen ergibt.

Ansprüche

1. Kraft- und Arbeitsmaschine mit Verdrängerwirkung, gekennzeichnet durch zwei konzentrisch gelagerte, gemeinsame Arbeitskammern schaffende Rotationskolben (2, 3) mit einem festen Rotationszentrum (4), wobei die beiden Kolben (2, 3) getrennte konzentrisch angeordnete Wellenabgänge (11, 14) aufweisen, welche über ein Getriebe (12, 13, 15, 16) mit periodisch veränderlichen Drehbewegungen gekoppelt sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß immer zwei sich gegenüberstehende, eine gemeinsame Arbeitskammer (5) bildende Arbeitsflächen (Segmentflanken 6, 7) von jeweils einem der beiden Rotationskolben (2, 3) gebildet werden, so daß die beiden Arbeitsflächen durch die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der beiden Kolben eine Relativbewegung während der Drehung von- und zueinander ausführen, wobei vom Mittelpunkt der Arbeitskammer (5) aus betrachtet, die in Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (6) zuerst der mittleren Winkelgeschwindigkeit gegenüber vorauseilt und die entgegen der Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (7) nacheilt, was sich beim Totpunktdurchgang umkehrt.

3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beidenRotationskolben so ineinander verschachtelt und in ihrer Lage zu den Getriebetotpunkten angeordnet sind, so daß eine Relativbewegung der beiden Kolben (2, 3) während einer Umdrehung durch die Zwangssteuerung des angekoppelten Getriebes möglich ist, wobei das gewählte Getriebe über die mathematischen und physikalischen Zusammenhänge die Geometrie und Anordnung der Kolben eindeutig bestimmt.

4. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwangslauf der beiden Rotationskolben (2, 3) durch das angekoppelte Getriebe mit periodisch veränderlicher Drehbewegung (12, 13, 15, 16) synchron, aber von der Übertragungsfunktion der Winkelgeschwindigkeit her betrachtet, um zwei Totpunktlagen versetzt angesteuert werden, woraus resultiert, daß immer eine gerade Anzahl von Arbeitskammern vorhanden sein muß, welche in den Totpunktlagen des Getriebes abwechselnd maximales (17) und minimales Kammervolumen (5) bilden.

5. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsprozeß in dem von den Arbeitsflächen (Segmentflanken 6, 7), welche in einem festen Abstand um das Rotationszentrum (4) rotieren, beschriebenen Arbeitsraum abläuft, wobei eine Arbeitskammer (5) nur ein Teilstück dieses ringförmigen Arbeitsraumes ausmacht, die durch zwei benachbarte Arbeitsflächen (6,.7) und durch Flächenabschnitte der Kolben (8, 9) sowie durch Abschnitte der Umfangs- und Seitenwände ausgebildet wird.

6. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die "Kolbensegmente" (18, 19) der Rotationskolben (2, 3) so bemessen sind, daß in einer Totpunktstellung des Getriebes, von einem festen Punkt (2o) des Gehäuses aus betrachtet, die in Drehrichtung befindliche Arbeitsfläche (7) kurz hinter diesem Punkt ist und die entgegen der Drehrichtung liegende Arbeitsfläche (6) desselben Kolbensegmentes erst eine oder drei Totpunktstellungen später vor diesem Punkt liegt.

7. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksamen Arbeitsflächen (6, 7) dieselbe Geometrie und denselben Abstand zum Rotationszentrum (4) haben.

8. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung der einzelnen Arbeitskammern eine Flächenberührung zwischen sich bewegenden Teilen gegeben ist.

9. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenabgang (11) des einen Rotationskolbens in dem hohlgebohrten Wellenabgang (14) des anderen drehbar angeordnet ist.

1₀. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Arbeitsmitteleinlaß und Arbeitsmittelauslaß durch die beiden Rotationskolben gesteuert wird, indem die Einlaß- und Auslaßöffnungen bei Erreichen der entsprechenden Kolbenstellungen frei^ge-geben bzw. verschlossen werden.

11. Maschine nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationskolben (2, 3), um eine Kühlung zu ermöglichen, mit entsprechenden Hohlräumen versehen sind, wobei dies Kühlmittel bei achsnäherer Einlaßöffnung gegenüber der achsfernen Auslaßöffnung durch die auftretenden Zentrifugalkräfte die Rotationskolben durchströmt.

Zeichnung