Mittelachsige Rotationskolbenmaschine als Kraft- und Arbeitsmaschine für flüssige und gasförmige Medien

Abstract

 Zur besseren Ausgestaltung der Brennraumgeometrie in einer mittelachsigen Rotationskolben-Arbeitsmaschine und zur einfachen Nutzung der Räume, in der man ein den thermodynamischen Gesetzen unterliegendes Medium einführt, das man dort bezüglich seines Volumens verändert, wird in einem statischen, unrunden Außenring (10), der sowohl nach oben als auch nach unten abgeschlossen ist, ein kreisförmiger Innenring (20) angeordnet, der mit einer Welle (12) im gemeinsamen Zentrum der Vorrichtung gekoppelt ist und auf der innensiete des Außenrings dichtend gleitet, wobei kreisringsegmentförige Absperrplatten (30). die jeweils durch Schlitze (21) im Mantel des Innenrings hindurchgreifen, dichtend auf der Innenseite des außenrings gleiten und damit die oben erwähnten, veränderlichen Räume zwischen Innenring und Außenring ausbilden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine mittelachsige Rotationskolbenmaschine als universell verwendbare Kraft-und Arbeitsmaschine für flüssige und gasförmige Medien nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

[0002] Bei der Anwendung als Wärmekraftmaschine soll die nutzbare motorische Energie durch volumenveränderliche Expansions- und Kompressionskammern erzeugt werden, in denen mit einem Gas, das den thermodynamischen Gesetzen bezüglich Druck, Temperatur und Volumen unterliegt, gearbeitet wird.

[0003] Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse (deutsche Patentanmeldung P 34 26 853) mindestens zwei koaxiale Bauteile zu verwenden, nämlich einen stationären kreiszylinderförmigen Außenring und einen in kraftschlüssiger Verbindung mit der zentralen Hauptwelle rotierenden ovalen Kolben, dessen Außenmantel an den beiden Schnittstellen mit der großen Hauptachse des Ovals die Innenkontur des Außenringes kontinuierlich gleitend berührt. Die volumenveränderlichen Kammern werden mit Hilfe zweier gekrümmter Absperrplatten erreicht, die außerhalb des Außenringes kniehebelartig gelagert sind und mit ihrem schaufelartigen Bezirk durch Außenringschlitze hindurchgreifen und auf der Kolbenkontur dichtend aufliegen.

[0004] Dabei ist es allerdings nötig, außerhalb des stationären Außenringes zusätzliche Gehäuse anzuordnen, in denen sich die beiden Absperrplatten bewegen können und in denen Maßnahmen zur wenigstens teilweisen Kompensation der drehzahlabhängigen Massenkräfte realisierbar sind. Die erforderlichen Außenringschlitze können u.U. die optimale Anordnung der Ein-und Auslaßschlitze für das Arbeitsmedium erschweren oder sogar verhindern, was zu einer Kompromißlösung zwingen könnte.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Problem der Absperrplatten auf besonders vorteilhafte Weise zu lösen und aufgrund einer speziellen Gehäuseform einen hohen spezifischen Durchsatz bei flüssigen oder gasförmigen Medien zu gewährleisten, wobei alle dafür nötigen Vorrichtungen kompakt innerhalb des Gehäuses untergebracht sind. Ferner ging es darum die auftretenden Massenkräfte von vorneherein auf ein Minimum zu beschränken und - nach Möglichkeit - mit Hilfe eines maschinenbaulich leicht lösbaren Ergänzungssystems zu kompensieren.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 erfüllt.

[0007] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in der speziellen Ausgestaltung der Absperrplatten, die nicht nur eine jeweils beidseitige Nutzung, sondern sogar eine Zwangsführung an der Gehäuseinnenkontur samt Kompensation etwaiger Geometrieveränderungen infolge kleiner Fertigungsmängel oder thermischer bzw. dynamischer Verformungen während des Betriebes bewirkt. Da mit Hilfe zweier gekrümmter Absperrplatten vier maximal volumengleiche Arbeitskammern geschaffen werden, die sich infolge der symmetrischen Geometrie jeweils verdoppeln und die folglich während einer Hauptwelienumdrehung von 360° achtmal entstehen, ist der spezifische Durchsatz ungewöhnlich groß; die vier Arbeitstakte pro Umdrehung sorgen für eine nahezu ideale Drehmomentcharakteristik und einen turbinen- ähnlichen Lauf des rotierenden Systems.

[0008] Die Vorteile einer erfindungsgemäßen RKM werden geradezu bestechend, wenn man mit ihr einen Rotationskolben-Dieselmotor realisieren möchte. Ein rotierendes Diesel-System wurde zwar seit geraumer Zeit immer wieder angestrebt, jedoch nur in wenigen Fällen kleinmodellmäßig verwirklicht. Als Beispiel mag der HUF-Motor angeführt werden, dessen Konzeption von der COOLEY-Drehkolbenmaschine aus dem Jahre 1901 abgeleitet wurde; HUF sorgte für die Verwandlung in eine Kreiskolbenmaschine. Die weitere Entwicklung zwecks Schaffung eines marktgerechten Dieselmotors dürfte an dem außerordentlich ungünstigen Verteilungsraum gescheitert sein. Der ziemlich kleine Hebelarm für die Drehmomentbildung und die große Beaufschlagungsfläche des unrunden Kreiskolbens stellten einen weiteren Nachteil dar. Neuere überlegungen von WANKEL in Richtung einer hochverdichtenden Drehkolbenmaschine mit Kämm-Eingriff erwiesen sich ebenfalls als wenig attraktiv, weil schwierigste Dichtungsprobleme zu lösen wären.

[0009] Der Anmelder entwickelte im Jahre 1972 eine "Rhombenläufer-Drehkolbenmaschine", die sich auch für den Diesel-Prozess eignete, weil ein Verdichtungsverhältnis von 20 o.w. erzielbar war. Diese Maschine konnte sowohl für das Zwe=- takt- als auch für das Viertakt-Verfahren konzipiert werden, ihr spezifischer Durchsatz war beachtlich. Da der gestreckte Verbrennungsraum noch nicht ganz befriedigte, ferner auch gewisse Schwierigkeiten bei der kraftschlüssigen Kopplung des Rhombenläufers mit der zentralen Hauptwelle auftraten, wurde der Bau einer Versuchsmaschine zunächst zurückgestellt.

[0010] Die jetzt vorliegende Erfindung ist der Rhombenläufer-Methode vor allem deshalb überlegen, weil sie einen sehr kompakten Verbrennungsraum in Gestalt einer zylindrischen zwischenspeichernden Brennkammer bietet, die in einem ebenfalls zylindrischen Gehäuse rotiert.

[0011] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben:

[0012] Es zeigen:

Fig. 1 den Horizontalschnitt durch eine Maschine;

Fig. 2 einen Vertikalschnitt durch die selbe Maschine;

Fig. 3 eine Isometrie der Absperrplatte mit Steckverbindung und Druckfedereinlage;

Fig. 4 eine Isometrie der Absperrplatte mit Zwischenstück und Federdichtleisten;

Fig. 5 einen Horizontalschnitt durch die zwischenspeichernde Brennkammer und die benachbarten Maschinenbereiche;

Fig. 6 einen Horizontalschnitt durch eine RKM mit drei Paar Absperrplatten;

Fig. 7 Isometrie eines Absperrplattenpaares gemäß Fig. 6;

Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch die RKM aus Fig. 6.

[0013] Es folgt die Erläuterung der Erfindung anhand der Zeichnungen bezüglich des Aufbaus und der Wirkungsweise der Maschine.

[0014] In Fig. 1 erkennt man eine Rotationskolben-Arbeitsmaschine mit einem unrunden Außenring 10 und einem kreisförmigen Innenring 20, der sich mit der Hauptwelle 12, die mit ihm in kraftschlüssiger Verbindung steht, synchron dreht und dabei die Innenkontur des Außenrings 10 an ihren Schnittpunkten mit der kleinen Hauptachse der symmetrischen Ovale dichtend gleitend berührt. Im Normalfalle ist es zweckmäßig, die Kontur des Außenringes 10 aus zwei parallelen Geraden, zwei kreisbogenförmigen Verbindungsstücken und einem kreisbogenförmigen Endstück zusammenzusetzen, um deren nur theoretisch bedeutungsvollen Idealkontur durch geeignete Wahl der Bogenradien so nahe wie möglich zu kommen.

[0015] Bei besonders großen Maschineneinheiten kann es ratsam sein, wenigstens fünf Bogenstücke mit unterschiedlichen Radien zu wählen, um auf diese Weise die Abweichung von der Idealkontur auf ein Minimum zu begrenzen.

[0016] Die Verwendung von Korbbogen-Kurven dient nicht nur der Fertigungsvereinfachung sondern auch der Erleichterung etwaiger Konturüberprüfungen nach einer bestimmten Laufzeit der Maschine.

[0017] Im Außenring 10 befinden sich jeweils diametral zueinander angeordnete Schlitzpaare für den Einlaß 13 und den Auslaß 14 des Arbeitsmediums, das in den Sichelkammern zwisehen Innen- und Außenring thermodynamisch bearbeitet wird.

[0018] Vier Gabelhälften 32 werden paarweise so zusammengesetzt, daß sie zwei kreisringsegmentförmige Absperrplatten 30 bilden, die durch jeweils zwei Schlitze 21 im Mantel des Innenringes 20 dringen. Die Schlitzflanken sind mit Nuten versehen, in denen vorteilhaft dünne Federstahl streifen 22 mit abgewinkeltem Querschnitt so fixiert werden, daß der Druck des Arbeitsmediums den Dichtungseffekt gegenüber den Absperrplatten 30 herbeiführt bzw. verbessert.

[0019] Die Absperrplatten 30 besitzen eine Sehnenlänge, die zur beidseitigen Berührung mit der unrunden Außenringkontur führt. Die Anordnung der Absperrplatten 30 ist spiegelsymmetrisch zum Zentrum des Innenringes 20, wo auch die Hauptwelle 12 ihren Mittelpunkt hat. Sie durchdringen den Außenmantel des Innenringes in Winkelabständen von 90 Grad. Der Krümmungsradius wird so gewählt, daß die Dichtkanten 31 der Absperrplatten 30 dann in den Eckpunkten eines gedachten Quadrates liegen, wenn die Sehnen parallel zu den Außenringhauptachsen verlaufen. Die beiden Grundpositionen des Systems führen somit zu volumen^gleichen Arbeitsraum-Maxima innerhalb einer Absperrplatte oder zwischen zwei Absperrplatten.

[0020] Die Sehnenlängenkorrektur zwecks Erzielung eines permanenten Anliegens der Dichtkanten 31 an der Außenringkontur, trotz deren geringfügiger Abweichung von der theoretischer Idealform,wird erfindungsgemäß dadurch ermöglicht, daß die asymmetrischen Gabelhälften 32 mit Steckverbindungen 33 versehen sind und dort kurze Druckfedereinlagen 34 haben, die für die jeweilige Anpassung der Sehnenlänge an die tatsächliche Außenringkontur sorgen. Der Verschiebeweg beträgt bei richtiger Wahl der Korbbogenradien nur wenioe Zehntel-mm.

[0021] Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Absperrplatte 30 aus einem symmetrischen Haupteil 36 mit einem kurzen Verschlußteil 37 zusammenzusetzen, dessen Länge mindestens dem Abstand der in der Stützscheibe des Innenrings 20 erforderlichen Verlängerungen der eigentlichen Schlitze 21 entsprechen muß, damit das Hauptteil 36 von der Seite her in den Innenring 20 eingeschoben werden kann. Anschließend wird das Verschlußteil 37 starr mit dem Hauptteil 36 verbunden, wobei auf eine bequeme Lösbarkeit im Falle einer Maschinenreparatur oder -überholung Wert zu legen ist.

[0022] Weil dieses Prinzip zu einer definierten Sehnenlänge führt, wird die Anpassung an die tatsächliche Außenringkontur durch Federdichtleisten 38 erzielt, die in Nuten der Dichtkantenzone radial verschiebbar untergebracht sind.

[0023] Beide Lösungswege nehmen Rücksicht auf eine mittige Lage der Innenring-Stützscheibe. Gibt man dieser jedoch eine seitlich versetzte Position, erhält man die Möglichkeit die Absperrplatte 30 aus einem Stück zu fertigen und ohne Behinderung von der Seite her in den Innenring 20 einzuschieben. In diesem Falle besteht die Absperrplatte 30 aus zwei schaufelartigen Außenkörpern und einem ungefähr halb so breiten Verbindungskörper, der nach dem Einbau eine gewisse Distanz von der benachbarten Oberfläche der Innenring-Stützscheibe aufweist und folglich in seinen. Spiel nicht beeinträchtigt ist.

[0024] Für die meisten praktischen Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine dürfte das letztgenannte Prinzip die vorteilhafteste Lösung darstellen, weil es die geringste Anzahl von Teilen benötigt, und keiner Verbindungsmaßnahmen bedarf. Die auch hier definierte Sehrienlänge erfordert allerdings die bereits beschriebenen Federdichtleisten zur Sicherung der permanenten Konturberührung.

[0025] Bei großen Maschineneinheiten mit entsprechend voluminösen Absperrplatten können anstelle der Federdichtleisten zweischenkelige Dichtprofile verwendet werden, die statt einer einfachen Dichtlinie eine doppelte bieten, die verständlicherweise einen noch höheren Dicht-Effekt hat. Der Dichtprofilquerschnitt 43 stellt vorteilhaft ein Kreisrinasegment dar, das in einer Lagermulde 44 ruht und entsprechend der jeweilgen Relativposition der Absperrplatte zur Außenringkontur eine Kippbewegung ausführen kann. Die Lagermulde 44 setzt sich nach hinten durch den Steg 45 fort, der in einer Ausnehmung der Absperrplatte seinen Halt findet und durch eine kurze Druckfeder belastet ist, die indirekt den korrekten Sitz der Doppeldichtlinie erzwingt. Statt des Kreisringsegment-Querschnittes des Dichtprofils 43 könnte u.U. auch ein V-Querschnitt in Betracht kommen, der in einer V-Mulde von entsprechend größerem Basiswinkel hin- und herkippen kann.

[0026] Von erheblicher Bedeutung ist die Festlegung des Länglichkeitsfaktors der Außenring-Innenkontur, weil von diesem der maximale überstand der Absperrplatte und somit auch die erforderliche Tiefe der Fortsetzung des Schlitzes 21 innerhalb der Innenring-Stützscheibe abhängt. Der Restquerschnitt des zwischen den benachbarten Schlitzen verbleibenden Steges muß so dimensioniert sein, daß keine plastische Verformung der Außenkontur des Innenringes 20 auftreten kann. Hier wirkt sich ein hohes Elastizitätsmodul des Läuferwerkstoffes günstig aus. Alternativ können Verstärkungsbolzen eingesetzt werden, wenn der Stegquerschnitt aus irgendwelchen Gründen beschränkt werden muß und als Werkstoff kann beispielsweise Leichtmetall oder Kunstharz in Betracht kommen.

[0027] Auch die elastische Verformung sollte sich in Grenzen halten, um keine unbeabsichtigte Zusatzreibung im Schlitz 21 zu provozieren. Bei Länglichkeitsfaktoren zwischen 1,40 und 1,45 ergeben sich keine Schwierigkeiten. Als ungefähres Maximum wird man zunächst einen Wert von 1,50 angeben. Der spezifische Durchsatz erreicht in jedem Falle beachtliche Ausmaße, weil sich das Arbeitsraummaximum je Innenringumdrehung verachtfacht. Das Minimum, also der schädliche , Raum bei Anwendung als Kompressor, hängt von der Position und Form des Auslaßschlitzes ab und ist von vornherein sehr bescheiden. Eine gewisse Rolle spielt dabei auch die Gestaltung des Rückschlagventils, sofern ein solches notwendig ist.

[0028] Da der Reststeg-Querschnitt bei der Innenring-Stützscheibe selbstverständlich auch von der Stegdicke abhängt, wird man diese möglichst reichlich dimensionieren. Es muß jedoch vermieden werden, das Absperrplatten-Restmaß zwischen den Schaufelbereichen allzu stark zu reduzieren und dadurch die Liegesteifigkeit zu beeinträchtigen.

[0029] Die eigentliche Führung der Absperrplatten 30 wird von den Stützrollenpaaren 40 übernommen, die so nahe am Außenmantel des Innenringes 20 gelagert sind, daß sie gerade noch die Dichtungszone unbehelligt lassen. Die Lagerbolzen 41 sind bei kleineren Maschinen-Einheiten in Bohrungen der Stützscheibe 42 fixiert; im Innenmantel des Innenringes befinden sich die Ausnehmungen für die wälzgelagerten Rollenpaare 40 selbst. Auf diese Weise bleiben die Dicht-Organe an den Flanken der Schlitze 21 frei von reibungs- und verschleißerhöhenden Druckkräften aus der Querbeaufschlagung der Absperrplatten; die gleitende Reibung wird durch eine rollende Reibung ersetzt. Bei größeren Maschineneinheiten kann es vorteilhaft sein, die Lagerbolzen 41 justierbar auszubilden und dadurch den korrekten Einbau der Absperrplatten 30 zu erleichtern. In Extremfällen kann eine Anpassungsmöglichkeit der Stützrollendistanz an thermische Verformungen der Absperrplatten von Nutzen sein.

[0030] Die Abdichtung der Innenringflanken gegen die Gehäuseplatten 50 erfolgt im Normalfalle unter Verwendung von Federdichtleisten. Ferner ist der Einsatz hochtemperaturfester Kunststoffe mit geeignetem Querschnittsprofil bei verschiedenen Anwendungsfällen möglich. Da die erfindungsgemäße RKM auch für den Bau ungewöhnlich großer Einheiten - beispielsweise Schiffsmaschinen - in Betracht kommt, bietet sie aufgrund der dann zur Verfügung stehenden reichlichen Dimensionen ein breites Feld für die Entwicklung neuartiger Dichtungssysteme, die erforderlichenfalls sogar elektronisch gesteuert oder überwacht sein können.

[0031] Weil sich die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Systems nur proportional zum Innenringdurchmesser vergrößert, während der Durchsatz in der dritten Potenz des Durchmessers wächst, wäre es unvorteilhaft, die Leistung der Maschine mittels Drehzahlsteigerung erhöhen zu wollen. Im Interesse eines möglichst geringen Verschleisses der Abdichtungselemente und einer Beschränkung der Massenkräfte sollte die Drehzahl normal großer Einheiten auf 1500 Umdrehungen pro Minute begrenzt werden. Bei kleinen Einheiten wäre eine Maximaldrehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute angebracht; bei großen Einheiten könnte man sich auf 1000 oder 750 Umdrehungen pro Minute festlegen. Die beiden Neutralpositionen der Absperrplatten, bei denen die Sehnen parallel zu den Gehäusehauptachsen verlaufen und die überstände über die Innenringkontur gleich groß sind, haben einen Drehwinkelabstand von 90 Grad. Dazwischen liegen eine Beschleunigungs- und eine Verzögerungs-Zone mit jeweils 45 Grad. Bei der Kombination zweier Einheiten mit gemeinsamer Hauptwelle ist eine Winkelversetzung um 90 Grad zweckmäßig, weil sich dann bei gleichrangigen Neutralpositionen jede Beschleunigungsmit einer Verzögerungs-Zone überlagert und damit jedenfalls neutralisiert.

[0032] In Anbetracht der vorgeschlagenen Begrenzung auf mäßige Drehzahlen haben solche überlegungen allerdings eher theoretische als praktische Bedeutung. Sollte es jedoch in Einzelfällen darum gehen, die Eigenschaften einer"Kolbenturbine" voll zum Tragen zu bringen, dann gibt es erfindungsgemäß einen Weg, schon bei einer Einheit die tangentialen Massenkräfte der Absperrplatten völlig oder weitgehend zu kompensieren.

[0033] Lagert man im Schwerpunkt der Absperrplatte 30, der infolge der Plattenkrümmung und der in den beiden Schaufelbereichen größeren Masse deutlich von der konkaven Oberfläche entfernt liegt, ein kleines Stirnzahnrad, dessen Lagerzapfen in der Symmetrielinie der beiden Stützrollenpaare mit der Stützscheibe des Innenringes verbunden ist und versieht man die Konkavseite mit einer relativ kurzen Verzahnung gleichen Moduls, dann befindet sich das Zahnrad bei Neutralposition der Absperrplatte ebenfalls in seiner Null-Stellung. Verschiebt sich die Absperrplatte nach links, dreht sich das Zahnrad im Uhrzeigersinn, verschiebt sie sich nach rechts, kommt eine Zahnraddrehung gegen den Uhrzeigersinn zustande. Durch Anordnung einer Masse gegenüber der Absperrplatte, also im linsenförmigen Bereich zwischen Absperrplatte und Innenring-Innenkontur durch Verlegung des Massenschwerpunktes in das Stirnradzentrum, läßt sich bei Anbindung dieser Masse mittels einer ebenfalls gekrümmten Verzahnung erreichen, daß der gemeinsame Schwerpunkt der Absperrplatte und der zu ihr gegenläufigen Zusatzmasse unabhängig von der jeweiligen Absperrplattenposition im Stirnradzentrum verharrt, wodurch sich eine vollständige Kompensation der tangentialen Massenkräfte ergibt.

[0034] Selbstverständlich läßt sich ein Teileffekt schon dann erzielen, wenn die Zusatzmasse um einen bestimmten Betrag kleiner gewählt wird, als die Absperrplattenmasse. Die Wirkungsweise einer echten Drehkolbenmaschine erhält man allerdings nur im ersten Falle.

[0035] Wird die erfindungsgemäße RKM als Kompressor eingesetzt, so erweist sich die Vergrößerung des Dichtkanten- bzw. -Leistendruckes während der Verdichtungsphase infolge der Absperrplattenträgheit als sehr günstig, weil einem progressiv ansteigenden Druck des Mediums gegenüber Widerstand geleistet werden muß. Falls die Absicht bestehen sollte, einen Teil der Trägheitskraft mittels einer Zugfeder oder auf eine ähnlich unkomplizierte Art und Weise abzubauen, ist dafür aufgrund des relativ großen Freiraumes im Innenbereich des Innenrings 20 genügend Platz vorhanden.

[0036] Die vorteilhafte Raumaufteilung ist ohnehin ein besonders erfreuliches Merkmal der erfindungsgemäßen RKM, das auch für andere Zwecke, wie beispielsweise die Optimierung des Schmier- oder Kühlvorganges von Nutzen sein kann. Ferner ist die Voraussetzung für eine großzügige Dimensionierung der Hauptwelle 12 selbst bei maximalem Länglichkeitsfaktor der Gehäusekontur geschaffen. Der Querschnitt der Welle kann erforderlichenfalls einer besonderen Dünnwandigkeit bei hoher Steifigkeit Rechnung tragen, wodurch in erster Linie das Schwingungsverhalten des rotierenden Systems sehr positiv beeinflußt wird. Ferner kann ein voluminöser Wellenhohlraum mancherlei Aufgaben erfüllen, wie z.B. die Aufnahme elektronischer Regelsysteme.

[0037] Fig. 5 zeigt eine zwischenspeichernde Brennkammer mit einem Statorzylinder 46, in dem sich ein Rotorzylinder 47 dreht, der drei Mantelschlitze 48 im Drehwinkelabstand von 120 Grad aufweist. Im Statorzylinder 46 sind zwei Mantelschlitze 49 im Winkelabstand von etwa 90 Grad vorhanden; der eine steht über einen Gaskanal mit dem Kompressions-Endraum in Verbindung, während der andere zum Expansions-Anfangsraum führt. Die Mantelschlitze 48 im Rotorzylinder 47 übernehmen in ständigem Wechsel die Aufgabe des Kompressionsluft-Einlasses, des Brennstoff-Durchlasses und des Verbrennungsgas-Auslasses und sind deshalb von gleicher Gestalt.

[0038] Ein Einspritzventil 51 ragt mit seiner Düse, die einen engen Brennstoffstrahl erzeugt, in eine Bohrung 52 des Statorzylinders 46, um beim Vorbeilauf eines Rotorzylinderschlitzes 48 zum optimalen Zeitpunkt eine optimal dosierte Brennstoffmenge gegen die Rotorzylinderinnenwand oder gegen ein dreiseitiges PAL-Prisma 53 im Rotorzentrum zur Erzielung eines möglichst geringen Zündverzuges und einer möglichst gleichmäßigen Verbrennung schleudern zu können. Die bei Hubkolben-Vorkammer-Dieselmotoren schon seit langem gesammelten Erkenntnisse lassen sich dabei nützlich verwerten, da immerhin eine Wesensverwandtschaft besteht. Vor allem ist darauf zu achten, daß die verschiedenartigsten Brennstoffe zur Verwendung kommen können, um auf diese Weise einen universellen Einsatz der erfindungsgemäßen Diesel-Maschine zu gewährleisten.

[0039] Die Einspritzphasen spielen sich im Drehwinkelabstand von 90 Grad - bezogen auf die Hauptwelle 12 - ab, der Rotorzylinder ist durch einen Zahnkettenantrieb bei einem übersetzungsverhältnis von 3 : 4 mit der Hauptwelle 12 gekoppelt; eine Hauptwellendrehung um 90 Grad bewirkt somit eine Rotorzylinderdrehung um 120 Grad und deshalb einen Funktionswechsel der Mantelschlitze 48.

[0040] Während der Aufladung der zwischenspeichernden Brennkammer mit hochkomprimierter Frischluft ist der Ausgang zum Expansionsraumkanal gesperrt. Die Einspritzdüse wird freigegeben wenn die Aufladung kurz vor ihrem Abschluß steht. Für die Einspritzzeit steht die tangentiale Ausdehnung der Schlitze 48 maximal zur Verfügung, die Verwendung eines Drosselzapfeneinspritzventils kann von Vorteil sein.

[0041] Wenn die Selbstzündung einsetzt, muß der Eingang vom Kompressionsraum gesperrt werden, während der Ausgang zum Expansionsraum kurz vor der öffnung steht. Die Absperrplattenkante schickt sich soeben an, den Einlaßschlitz 13 zu überlaufen. Nach Freigabe des Expansionsraumkanals erfolgt die Beaufschlagung der immer weiter aus der Innenringkontur herausragenden Absperrplatten 30 mit Verbrennungsgas, das entsprechend dem zunehmenden Raumvolumen expandiert und dabei an Druck und Temperatur verliert.

[0042] Nach erneuter Sperrung des Expansionsraumkanals und Wiedererschließung des Kompressionskanals kann erforderlichenfalls ein kurzzeitiger Spültakt erfolgen, der die zwischenspeichernde Brennkammer von Verbrennungsrückständen befreit und dabei leicht abkühlt. Die dafür nötige Auslaßbohrung im Statorzylindermantel müßte drehrichtungsmäßig vor der Einspritzdüse angeordnet werden, damit sich eine Erschließungsmöglichkeit durch die Mantel schlitze 48 ergibt.Auf der der zwischenspeichernden Brennkammer gegenüberliegenden Gehäuseseite befindet sich der Auslaßschlitz 14, der das expandierte Verbrennungsgas zwecks Nutzung seiner Rest-Energie entweder in einen Abgas-Wärmeaustauscher oder in den Arbeitsraum eines Rotationskolben bzw. Turboladers entläßt. Außerdem ist der Einlaßschlitz 13 vorhanden, durch den die Versorgung mit einer neuen Frischluftladung erfolgt, die entweder unter atmosphärischem Druck oder unter Lager-überdruck steht. Das hohe Verdichtungsverhältnis der erfindungsgemäßen RKM erlaubt in jedem Falle die Erreichung eines be^: weitem genügenden Kompressionsenddrucks und einer hohen Selbstzündungstemperatur; der gesamte Wirkungsgrad des Rotationskolben-Dieselmotors übertrifft die bisher bekannten Werte bei Hubkolbenmaschinen deutlich.

[0043] Da der Diesel-Prozess bei der erfindungsgemäßen RKM im Viertaktverfahren abläuft, können sich keine nennenswerten Gaswechselprobleme ergeben; Ventilsteuerungen werden nicht benötigt, weil die Schlitzsteuerung alle Anforderungen erfüllt. Durch Dopplung des Systems der zwischenspeichernden Brennkammer ist es auch jederzeit möglich, die RKM im Zweitaktverfahren zu betreiben. Theoretisch wäre auch eine RKM möglich, bei der nur eine Absperrplatte beweglich angeordnet ist und durch den Innenring ragt, so daß wiederum nur ein Kompressions-und ein Expansions-Volumen gebildet ist. Dies würde aber bei weitem nicht dem mannigfaltigen Vorteil des vorliegenden Erfindungsgedankens entsprechen.

[0044] Auf eine Hauptwellenumdrehung entfallen vier Arbeitstakte, was eine hervorragende Drehmoment-Charakteristik zur Folge hat. Mit einer einzigen RKM-Einheit läßt sich eine Analogie zu einem Achtzylinderhubkolben-Viertaktmotor erreichen, was im Verbrennungsmaschinenbau einmalig dastehen dürfte. Die nicht ganz korrekte Bezeichnung "Kolbenturbine" drückt immerhin am ehesten die Wesensart der erfindungsgemäßen Drehkolben-Dieselmaschine aus, die jedoch auch als Heißgasmaschine mit Hochtemperatur-Druckspeicher zwischen einem separaten Kompressions-und Expansions-System große Realisierungsaussichten hat und vor allem als reiner Solar-Motor oder auch als Hybridmotor-Solar-Brennstoff in sonnenreichen Regionen viele Probleme lösen könnten.

[0045] Bei Schiffsmaschinen mit 1000 bis 10.000 kW würde sich das Leistungsgewicht auf weit weniger als ein Zehntel der von Hubkolben-Dieselmaschinen bekannten Werte reduzieren. Bei Luftfahrzeugantrieben der Mittelklasse, die für Sportflugzeuge und Hubschrauber in Betracht kommen, müßten die Leistungsgewichte moderner Gasturbinen-Triebwerke nahezu erreichbar sein. Der spezifische Brennstoff-Verbrauch läge deutlich niedriger, die Herstellungskosten sind gering.

[0046] In bestimmten Fällen kann es von Vorteil sein, das Volumen der zwischenspeichernden Brennkammer innerhalb gewisser Grenzen regelbar zu machen. Eine solche Maßnahme wäre beim erfindungsgemäßen, rotierenden Brennkammersystem problemlos zu verwirklichen, indem der Rotorzylinder 47 mit einem axial verschiebbaren Kolben ausgestattet würde, der ebenfalls rotiert und von außen auf mechanische oder hydraulische Weise in seiner Relativposition verändert werden könnte. Dieses Prinzip steht vor allem bei großen Maschinen zur Diskussion.

[0047] Figur 6 zeigt eine RKM gemäß der vorliegenden Erfindung, bei der die Absperrplatten 30' in Form von drei symmetrisch angeordneten Paaren dergestalt in den Innenring 20 eingesetzt werden, daß sie sich gegenseitig an sechs Stellen überkreuzen, wodurch zwölf Schlitze im Winkelabstand von 30 Grad erforderlich werden, die genügend Raum für die Unterbringung der Stützrollenpaare zur Verfügung stellen. Dies bewirkt, daß sich das auf der Außenring-Innenseite bildende minimale Volumen zwischen zwei benachbarten Absperrplatten 30' nicht nur für das Otto- sondern sogar für das Diesel-Motor notwendige Verdichtungsverhältnis eignet, woraus folgt, daß bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen RKM auf eine zwischenspeichernde Brennkammer zugunsten einer Direktzündung bzw. einer Einspritzung innerhalb des Außenringes 10' verzichtet werden kann. Dabei nähert sich die Drehmomentcharakteristik bereits sehr stark an eine Turbinencharakteristik an, weil je Hauptwellenumdrehung zwölf Arbeitstakte auftreten, die eine Analogie zu einer vierundzwanzig-Zylinder-Viertakt-Hubkolbenmaschine darstellen und den erwünschten, "seidenweichen" Lauf einer Verbrennungskraftmaschine möglich machen, der bisher nur beim Elektromotor realisiert wurde.

[0048] Muldenförmige Vertiefungen 35' können entweder am Innenring 20' im Winkelabstand von 30Grad angeordnet sein oder es kann eine muldenförmige Vertiefung an der Innenseite des Außenrings 10' angeordnet sein. Dabei ist es jederzeit möglich, sowohl am Außenring als auch am Innenring gleichzeitig diese muldenförmigen Vertiefungen anzuordnen,um diese als Brennräume zu nutzen. Vorteilhaft wird in der muldenförmigen Vertiefung des Außenrings eine Zündkerze 36', also im Bereich der kleinen Hauptachse und im Mantel des Außenrings 10' angeordnet.

[0049] Bei Anordnung zweier einander diametral gegenüberliegender Brennräume und der Verwirklichung einer Gleichstrom-Spülung während der Phase mit maximalem Arbeitsraumvolumen, ist die Durchführung des Zweitakt-Verfahrens möglich, wobei sich eine zusätzliche Entlastung der ohnehin nur mäßig beanspruchten Hauptwellenlager und ferner eine Leistungserhöhung gegenüber dem Viertakt-Verfahren ergibt. Die Maschine mit drei Absperrplattenpaaren wird in erster Linie für große bis extremgroße Einheiten verwendet, weil dann der turbinenähnliche Lauf störende Vibrationen des Maschinenfundamentes und der Maschinen-Umgebung weitestgehend verhindert.

Ansprüche

1. Mittelachsige Rotationskolbenmaschine, nach oben und unten abgeschlossen, bestehend aus einem Außenring mit vier öffnungen, einem mit einer Welle im Zentrum des Außenringes fest verbundenen und gemeinsam mit dieser drehbar angeordneten Innenring, der auf der Innenseite des Außenringes in diametraler Linienberührung dichtend gleitet, sowie zwei Absperrplatten, die durch ihre von der Wellenrotation abhängige Bewegung volumenveränderliche Räume bilden,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Außenring (10) unrund und der Innenring (20) kreisförmig ist, daß die Absperrplatten (32) aus wenigstens zwei kreisringsegmentförmigen Teilen mit geringfügig veränderlicher Sehnenlänge bestehen, die durch zwei Schlitze (21) im Mantel des Innenringes hindurchgreifen und bei dessen Drehbewegung beidseitig dichtend auf der Innenseite des Außenringes (10) gleiten, und daß die Öffnungen (13, 14) im Außenring (10) jeweils diametral zueinander angeordnete Ein-(13) und Auslaßschlitze (14) sind.

2. Mittelachsige RKM nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Absperrplatten (30) an jedem Schlitz (21) des Innenringes (20) durch jeweils vier an der Innenseite des Innenringes (20) angeordnete Rollen (40) geführt werden.

3. Mittelachsige RKM nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet ,
daß sich die Kontur des unrunden Außenringes (10) zusammensetzen läßt aus zwei parallelen Mittelgeraden, zwei Zwischenkreisbogen und einem Endkreisbogen, wobei die Radien so berechnet sind, daß sich nur geringfügige Abweichungen von der Idealkontur ergeben, die bei unveränderlicher Sehnenlänge die Dichtkantenberührung bei beliebiger Winkelposition der Absperrplatten (30) gewährleisten.

4. MRKM nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Außenring (10) bei größeren Maschinen aus fünf oder mehr Bogenlinien zusammengesetzt ist, die vorzugsweise Kreisbögen darstellen und so berechnet sind, daß sich nur geringfügige Abweichungen von der Idealkontur ergeben.

5. MRKM nach den Ansprüchen 1 bis 4
dadurch gekennzeichnet ,
daß die vier Dichtkanten (31) der Absperrplatten (30) den Außenring (10) an den Eckpunkten eines gedachten Quadrates dann berühren, wenn sich die Sehnen in einer parallelen Position zu den Außenring-Hauptachsen befinden.

6. MRKM nach Anspruch 5
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Krümmungsradius der Absperrplatten (30) größer ist als der Radius des Innenringes (20) und so gewählt wird, daß die im Winkelabstand.von 90° aufeinander folgenden Arbeitsraum-Maxima gleich groß sind.

7. MRKM nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet
daß die Absperrplatten (30) aus je zwei gleichen asymmetrischen Gabelhälften (32) bestehen, die eine Steckverbindung (33) mit Druckfedereinlage (34) aufweisen und eine Anpassung der Sehnenlänge an die mit kleinen Toleranzen behaftete Innenseite des Außenringes (10) ermöglichen.

8. MRKM nach Anspruch 6
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Absperrplatten (30) aus je einem symmetrischen Hauptteil (36) und einem kurzen Verschlußteil (37) bestehen, das nach dem Einsetzen des Haupteils (36) in die Innenringschlitze (21) mit diesem starr, jedoch leicht demontierbar verbunden wird und daß die Sehnenlängenanpassung mittels Federdichtleisten im Bereich der Dichtkanten (31) bewirkt wird.

9. MRKM nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Absperrplatten (30) jeweils symmetrische Form aufweisen und sich aus je zwei schaufelartigen Endbereichen sowie einem in der Breite reduzierten Mittelbereich zusammensetzen.

10. MRKM nach den Ansprüchen 7 oder 8
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schlitzflanken des Innenringes (20) mit Nuten versehen sind, in denen vorteilhaft dünne Federstahlstreifen (22) mit abgewinkeltem Querschnitt so fixiert werden, daß der Gas- oder Flüssigkeitsdruck den Dichtungseffekt gegenüber den Absperrplatten (30) herbeiführt bzw. verbessert.

11. MRKM nach den Ansprüchen 7 bis 10
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Schlitzflanken des Innenringes (20) mit Nuten von kreisbögenförmigem Querschnitt versehen sind, in denen vorteilhaft Hohlprofile aus elastischem, hochtemperaturfestem Kunststoff ihren Sitz finden, damit sie abdichtend wirken können.

12. MRKM nach Anspruch 11
dadurch gekennzeichnet, daß die Führung der Absperrplatten (30)in den Schlitzen (21) des Innenrings (20) durch wenigstens ein Rollenpaar (40) erfolgt, dessen Lagerbolzen (41) in der Stützscheibe (42) möglichst nahe beim Innenringaußenmantel befestigt sind, und daß auf diese Weise die gleitende Reibung in den Schlitzen (21) durch eine rollende Reibung im Nahbereich der Schlitze ersetzt wird, die sich auf den mechanischen Wirkungsgrad der Maschine und auf die Verschleißreduzierung sehr günstig auswirkt.

13. MRKM nach Anspruch 12
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei großen Maschineneinheiten die Lagerbolzen (41) der Stützrollen (40) relativ zur Stützscheibe (42) in einem gewissen Rahmen positionsvariabel fixiert sind, um auf diese Weise in Abhängigkeit von thermisch oder dynamisch verursachten Verformungen der ursprünglichen Maschinengeometrie zweckdienlich korrigiert werden zu können.

14. MRKM nach den Ansprüchen 7 bis 9
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Berührungslinien (31) der Absperrplatten (30) mit der Innenkontur des Außenrings (10) durch die Außenkante einer Federdichtleiste dargestellt werden.

15. MRKM nach den Ansprüchen 7 bis 9
dadurch gekennzeichnet ,
daß die Berührungslinien (31) durch Verwendung eines hochverschleißfesten und erforderlichenfalls mühelos austauschbaren Hohlprofils von kreisringsegmentförmigem Querschnitt (43), das in einer Lagermulde (44) mit abgefedertem Steg (45) ruht,und entsprechend der jeweils vorhandenen Relativposition der Absperrplatte zur Außenringinnenkontur eine Kippbewegung ausführen kann, jeweils parallel gedoppelt werden.

16. MRKM nach Anspruch 1 bis 15
dadurch gekennzeichnet ,
daß an der Peripherie des Außenringes (10) eine zwischenspeichernde Brennkammer vorhanden ist, die aus einem Startrohrzylinder (46)und einem Rotorzylinder (47) besteht, der mit komprimierter Frischluft aus dem Austauschschlitz (14a) gefüllt wird,welche nach Einspritzung von flüssigem Brennstoff zur Selbstentzündung gelangt und anschließend durch den Einlaßschlitz (13a) in die sich neu bildende Expansionskammer hinter der inzwischen weiter gewanderten Absperrplattenschaufel eintritt, um dort Arbeit zu verrichten.

17. MRKM nach Anspruch 16
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Rotorzylinder (47) drei Schlitze (48) im Drehwinkel abstand von 120° aufweist, die in ständigem Wechsel die Aufgabe des Kompressionslufteinlasses des Brennstoff-Druchlasses und des Verbrennungsgasauslasses übernehmen und auf diese Weise in neuartiger Form den Anforderungen an eine Dieselprozess-Steuerung gerecht werden.

18. MRKM nach Anspruch 17
dadurch gekennzeichnet ,
daß der fest mit dem Außenring (10) verbundene Statorzylinder (46) für eine prinzipgemäße Beschickung oder Sperrung des Rotorzylinders (47) sorgt, weil der Statorzylinder nur zwei Schlitze (49) im Winkelabstand besitzt.

19. MRKM nach Anspruch 18
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Rotorzylinder (47) mittels Zahnkettentrieb von der Hauptwelle (12) mit einem übersetzungsverhältnis von 3 : 4 zur Rotation gebracht wird, wobei eine Hauptwellendrehung um 90° eine Rotorzylinderdrehung um 120° und damit einen Schlitzfunktionswechsel herbeiführt.

20. MRKM nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Einspritzventil in etwa der Verlängerung der kleineren Hauptachse des Außenringes (10) sitzt und mit seiner Einstrahl-Düse in eine Bohrung des Statorzylinders (46) ragt, um beim Vorbeilauf eines Rotorzylinderschlitzes (48) zum optimalen Zeitpunkt eine optimal dosierte Brennstoffmenge gegen die Rotorzylinder-Innenwand oder gegen ein dreiseitiges Prall-Prisma im Rotorzentrum zur Erzielung eines möglichst geringen Zündverzuges schleudern zu können.

21. MRKM nach den Ansprüchen 16 bis 20
dadurch gekennzeichnet ,
daß auf der gegenüberliegenden Außenringseite das Verbrennungsgas durch den Schlitz (14) in einen Abgas-Wärmeaustauscher oder in einen Turbolader gefördert wird, während durch den Schlitz (13) die Versorgung mit einer neuen Frischluftladung erfolgt, was bedeutet, daß der Dieselprozess im Viertakt-Verfahren auf fast ideale Weise ablaufen kann und je Hauptwellenumdrehung vier Arbeitstakte bietet, die zu einer hervorragenden Drehmoment-Charakteristik schon bei einer einzigen RKM-Einheit führen und eine Analogie zu einem 8-Zylinder-Hubkolbenmotor aufweisen.

22. MRKM nach Anspruch 21
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Rotorzylinder (47) mit einem axial verschiebbaren Kolben versehen ist, der ebenfalls rotiert und das Volumen der zwischenspeichernden Brennkammer regelt.

23. MRKM nach einem der Ansprüche 1 bis 22
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei symmetrischer Oberkreuzung dreier Absperrplattenpaare (30') infolge des auf 30° Drehwinkel reduzierten Brennraumes die Zündung bzw. Einspritzung des Brennstoffes innerhalb des Außenringes (10') in unmittelbarer Nähe des Innenringes (20') erfolgt, wobei je Hauptwellenumdrehung zwölf Arbeitstakte auftreten.

24. MRKM nach Anspruch 23
dadurch gekennzeichnet ,
daß das auf der Außenring-Innenseite sich bildende minimale Volumen zwischen zwei benachbarten Absperrplatten (30) nicht nur für das Otto-, sondern sogar fiir Diesel-Motoren notwendige Verdichtungsverhältnis bietet, woraus folgt, daß bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen RKM auf einen zwischenspeichernden Brennraum zugunsten einer Direktzündung bzw. -Einspritzung innerhalb des Außenringes (10) verzichtet werden kann.

25. MRKM nach Anspruch 24
dadurch gekennzeichnet ,
daß bei Anordnung zweier einander diametral gegenüberliegender Brennräume unter Verwirklichung einer Gleichstromspülung während der Phase mit maximalem Arbeitsraumvolumen die Durchführung des Zweitaktverfahrens möglich ist.

26. MRKM nach Anspruch 25
dadurch gekennzeichnet,
daß muldenförmige Vertiefungen (35') am Innenring (20' im Winkelabstand von 30° angeordnet sind.

27. MRKM nach den Ansprüche 23 bis 26
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine muldenförmige Vertiefung an der Innenseite des Außenringes (10') angeordnet ist.

28. MRKM nach einem der vorangegangenen Ansprüche
dadurch gekennzeichnet ,
daß eine Zündkerze (36') oder Einspritznadel im Bereich der kleinen Hauptachse in dem Mantel des Außenringes (10') angeordnet ist.

29. MRKM nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet ,
daß die zwei Absperrplatten miteinander verbunden sind und einstückig durch die Schlitze des Innenrings ragen, so daß nur ein Kompressions- und ein Expansions-Volumen gebildet wird.

Zeichnung