DE19538171A1

DE19538171A1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: DE19538171A1
Application number: DE1995138171
Authority: DE
Inventors: Axel Raabe; Albrecht Prof Dr Sc Platzhoff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-13
Filing date: 1995-10-13
Publication date: 1997-04-17

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotationskolbenma schine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Derartige Maschinen werden zur Verrichtung von Arbeit überall dort eingesetzt, wo verdichtet, gepumpt und ent spannt werden muß. Insbesondere kann die Erfindung als Verbrennungsmotor in der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt werden.

In der Kraftfahrzeugtechnik kommen überwiegend Hubkol ben-Verbrennungsmotore zum Einsatz, die sich durch eine langjährig bewährte und ausgereifte Technik auszeichnen. Der geringe Wirkungsgrad und die oszillierenden Trieb werksmassen dieses Motorentyps haben jedoch immer wieder Veranlassung gegeben, nach neuen Lösungen zu suchen. So gibt es eine Reihe von Lösungen, die nach dem Rotations kolben-Prinzip arbeiten.

Ein maßgeblicher Vertreter dieser Gruppe ist der Kreis kolbenmotor nach Wankel.

Der Wankelmotor besteht aus einem feststehenden Gehäuse und einem, auf einer Exzenterwelle gelagerten Innenläu fer mit drei äußeren Dichtstellen. Er arbeitet nach dem Viertaktverfahren und wird von außen, vorzugsweise mit Wasser gekühlt.

Obwohl durch die Rotationsbewegungen ein verbesserter Massenausgleich stattfindet und ein günstigeres Lei stungs-Masse-Verhältnis möglich ist, konnte dieser Mo tortyp sich weder im Allgemeinen noch speziell in der Kraftfahrzeugtechnik endgültig durchsetzen.

Die Ursache hierfür sind der im Vergleich zum Hubkolben motor eher schlechtere Wirkungsgrad und die schwer zu beherrschenden Abdichtprobleme an den Drehkolbenecken, die zu Leckverlusten und zu Überhitzungen führen. Diese Nachteile sind in der Hauptsache technisch dadurch begründet, daß die verschiedenen Arbeitsräume des Motors alle in einem Gehäuse untergebracht und nur von Dichts tellen des Rotationskolbens voneinander getrennt sind.

Es wurde mit der DE 36 10 108 A1 auch schon vorgeschla gen, zwei gleichartige Motorteile zu verwenden, um einer seits das Ansaugen und Verdichten und andererseits das Entspannen und Ausstoßen durchführen zu können. Dazu sind Verdichter und Entspanner achsparallel angeordnet und über radiale Öffnungen im gemeinsamen Gehäuse funk tionell miteinander verbunden.

Da dieser Motor Funktionselemente eines Hubkolbenmotors und eines Rotationskolbenmotors aufweist, stellen sich naturgemäß auch die typischen Nachteile des Hubkolbenmo tors ein.

Eine weitere Lösung dieser Art ist in der DE 29 07 331 beschrieben, bei der der Rotationskolbenmotor aus zwei Rotorpaaren mit je zwei miteinander kämmenden Rotoren besteht, wobei beide Rotorpaare auf einer Achse angeord net sind und über axiale Kanäle miteinander verbunden werden.

Auch hier ist ein Rotorpaar für das Ansaugen und Ver dichten und das andere Rotorpaar für das Entspannen und Ausstoßen zuständig.

Die Trennung von Verdichtung und Entspannung in getrenn ten Räumen bringt zwar erhebliche Vorteile mit sich, die wesentlichen Nachteile bleiben dabei aber unberührt.

Alle diese bekannten Lösungen haben mehr oder weniger den Nachteil eines geringen Wirkungsgrades, zurückzufüh ren auf unvollständige Entspannung und Wärmeverluste durch die Arbeitsraumbegrenzung, und erheblicher Dich tungsprobleme zwischen Rotationskolben und Gehäuse.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Rotationskolbenma schine zu entwickeln, bei der die ungenutzte Restenergie in den Abgasen während des Arbeitsprozesses auf ein vor bestimmbares Maß verringert wird.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Zweckdienliche Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un teransprüchen 2 bis 13.

Die als Verbrennungsmaschine ausgelegte Rotationskolben maschine arbeitet in besonderer Weise wirtschaftlich und dabei umweltfreundlich.

Sie besitzt gegenüber dem Hubkolbenmotor die allgemeinen Vorteile eines Rotationskolbenmotors und beseitigt im gleichen Zuge die Nachteile, die einer umfassenden Nut zung der Rotationskolbenmotore bislang entgegenstehen. So ist die Verwendung der unterschiedlichsten Energie träger wie beispielsweise jedes Verbrennungsgas bzw. - irgendein Druckmedium möglich, wobei lediglich eine dar auf abgestimmte Brennkammer eingesetzt werden muß. In Abhängigkeit des verwendeten Energieträgers kann durch eine entsprechende Dimensionierung der separaten Ar beitsräume bzw. der Brennkammer jedes mögliche Verdich tungsverhältnis vorbestimmt werden. Das ermöglicht auch, den Expansionsraum so auszuführen, daß eine Expansion des Abgases nutzbringend nahezu bis auf den Umgebungsdruck erfolgen kann. Dies führt zu einer besseren Nutzung des eingesetzten Kraftstoffes und damit zwangsläufig zu einer Erhöhung des thermischen Wirkungs grades. Weiterhin entfällt eine sonst notwendige Kühlung von außen.

Sollte unter bestimmten Bedingungen dennoch eine Kühlung notwendig sein, besteht die Möglichkeit einer inneren und damit verlustarmen Kühlung. Dazu wird durch eine Überdimensionierung des Verdichterraumes und durch ein zeitverzögertes Schließen des Sperrventiles zwischen dem Arbeitsraum und der Brennkammer überschüssiges und un verbranntes Frischgas in den Arbeitsraum geleitet, das zur Kühlung des Arbeitsblockes führt und gleichzeitig zur Arbeitsverrichtung mitgenutzt wird.

Dieses innere Kühlsystem vermeidet weiterhin die bislang bei herkömmlichen Motoren bekannten und auf eine Über hitzung zurückzuführenden Ladungsprobleme der Brennkam mer.

Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen Rotationskolben maschinen ist bei der inneren Dichtheit zu verzeichnen, da am Rotor nur eine umlaufende und eine feststehende Dichtstelle vorhanden sind.

Es ist weiterhin möglich, den Verdichterraum und/oder den Expansionsraum in nebeneinanderliegende Kammern mit Überströmkanälen aufzuteilen, um eine stufenweise Ver dichtung bzw. Entspannung zu erhalten.

Die ein- oder zweiachsigen Ausführungsformen lassen un begrenzte Einsatzmöglichkeiten zu.

Durch den Einsatz von Rotationsschiebern für die Sperr schieber fallen sämtliche oszillierenden Bewegungen weg und ermöglichen somit sehr hohe Drehzahlen, die die Leckverluste an den Dichtstellen minimieren.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbei spiel eines Verbrennungsmotors näher erläutert werden.

Dazu zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines ein achsigen Motors,

Fig. 2 eine axiale Schnittdarstellung des ein achsigen Motors,

Fig. 3 ein Schema der Funktionselemente des ein achsigen Motors,

Fig. 4 ein Schema eines zweiachsigen Motors,

Fig. 5 Schema eines Motors mit einem Rotations schieber,

Fig. 6 Schema der Funktionsabläufe und

Fig. 7 Schema der Funktionsabläufe mit einem modifizierten Rotationskolben.

Der Rotationskolben-Verbrennungsmotor in einachsiger Ausführung besteht aus einem Verdichterblock 1 und einem Arbeitsblock 2, die starr miteinander verbunden sind. Der Verdichterblock 1 und der Arbeitsblock 2 sind hin tereinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet und bestehen aus einem Verdichtergehäuse 3 und einem Ver dichterrotor 4 bzw. aus einem Arbeitsgehäuse 5 und einem Arbeitsrotor 6. Die Breite des Arbeitsblockes 2 ist ent sprechend dem gewünschten Verdichtungsverhältnis stets um einen bestimmten Betrag größer als die Breite des Verdichterblockes 1 ausgeführt. Der Verdichterrotor 4 und der Arbeitsrotor 6 sind drehfest auf einer gemeinsa men Rotorwelle 7 angeordnet. Am Umfang vom Verdichter block 1 und vom Arbeitsblock 2 ist ein Brennkammerblock 8 aufgesetzt, der sich in axialer Richtung erstreckt und dessen Brennkammer 9 die Innenräume des Verdichterbloc kes 1 und des Arbeitsblockes 2 miteinander verbindet. Im Verdichtergehäuse 3 befindet sich radial einerseits ne ben dem Brennkammerblock 8 eine Frischgasöffnung 10 und im Arbeitsgehäuse 5 radial andererseits neben dem Brenn kammerblock 8 eine Abgasöffnung 11. Die Frischgasöffnung 10 und die Abgasöffnung 11 sind jeweils als axiale, sich über die gesamte Breite des Verdichterblockes 1 bzw. des Arbeitsblockes 2 erstreckenden Schlitze ausgebildet. Zwischen der Frischgasöffnung 10 und dem Brennkammer block 8 ist ein Sperrschieber 12 und zwischen der Abgas öffnung 11 und dem Brennkammerblock 8 ein Sperrschieber 13 angeordnet. Beide Sperrschieber 12 und 13 erstrecken sich ebenfalls axial über die gesamte Breite des Ver dichterblockes 1 bzw. des Arbeitsblockes 2, besitzen eine radiale Bewegungsrichtung und sind in Richtung zur Rotorwelle 7 durch die Kraft einer Feder belastet oder unterliegen einer Zwangssteuerung.

Die Gestaltung des Verdichterrotors 4 und des Arbeitsro tors 6 ist insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersicht lich. Danach besitzen der Verdichterrotor 4 und der Ar beitsrotor 6 seitlich angeordnete und radial nach außen gerichtete Gleitschienen 14 und 14′, die mit inneren Gleitnuten 15 und 15′ des Verdichtergehäuses 3 und des Arbeitsgehäuses 5 zusammenwirken. Kolbenringe 16 bzw 16′ dichten den Verdichterblock i und den Arbeitsblock 2 nach außen ab. Die zwischen den Gleitschienen 14, 14′ befindlichen Mantelflächen sind unrund in der Art ausge bildet, daß es eine achsferne und eine gegenüberliegende achsnahe Peripherie gibt. Dabei bildet die achsferne Pe ripherie des Verdichterrotors 4 mit der Innenwandung des Verdichtergehäuses 3 einen Dichtspalt 17 und in gleicher Weise die des Arbeitsrotors 6 mit der Innenwandung des Arbeitsgehäuses 5 einen Dichtspalt 18. Die achsferne Pe ripherie kann punktförmig oder kreisbogenförmig ausge bildet sein und so über die Breite der Rotore 4 und 6 linienförmige Dichtspalte 17 und 18 oder flächenförmige Dichtspalte 17 und 18 mit vorbestimmter Spalttiefe aus bilden. Die Anordnung beider Dichtspalte 17 und 18 zu einander ist so abgestimmt, daß der Dichtspalt 17 des Verdichterblockes 1 dem Dichtspalt 18 des Arbeitsblockes 1 in Drehrichtung um einen vorbestimmten Betrag voraus eilt. Die sich zwischen den Mantelflächen des Verdich terrotors 4 und dem Verdichtergehäuse 3 bzw. zwischen den Mantelflächen des Arbeitsrotors 6 und dem Arbeitsge häuse 5 einstellenden Freiräume werden durch die von außen belasteten Sperrschieber 12 und 13 in jeweils zwei volumenveränderliche Räume aufgeteilt. Im Verdichter block 1 sind das der Ansaugraum 19 mit Verbindung zur Frischgasöffnung 10 und der Verdichterraum 20 mit Ver bindung zur Brennkammer 9 und im Arbeitsblock 2 sind das der Expansionsraum 21 mit Verbindung zur Brennkammer 9 und der Abgasraum 22 mit Verbindung zur Abgasöffnung 11. Der Verdichterraum 20 und der Expansionsraum 21 sind von der Brennkammer 9 jeweils durch steuerbare Sperrventile 23 und 24 voneinander getrennt. Beide Sperrventile 23 und 24 werden von einer mit der Rotorwelle 7 gekoppelten Nockenwelle 25 gesteuert.

Ein Rotationskolben-Verbrennungsmotor in zweiachsiger Ausführung besteht, wie die Fig. 4 zeigt, ebenfalls aus einem Verdichterblock 1 und einem Arbeitsblock 2 mit je weils analogem Aufbau. Jedoch sind der Verdichterblock 1 und der Arbeitsblock 2 auf separaten Achsen und neben einander in der Art angeordnet, daß jeweilige Rotorwel len 26 und 27 vorhanden sind, die parallel zueinander angeordnet und zum Zwecke der Synchronisation über nicht dargestellte Elemente drehfest miteinander verbunden sind. Zwangsläufig erstreckt sich die Brennkammer 8 räumlich in radiale Richtung.

Wie die Fig. 5 zeigt, können die Sperrschieber 12 und 13 an Stelle der oszillierenden auch in einer rotierenden Bauart ausgeführt werden. Dazu ist ein Schiebergehäuse 28 mit einer Rotorwelle 29 achsparallel aber um 90° gedreht zur Rotorwelle 7 in der Art angeordnet, daß das Schiebergehäuse 28 an einer Stelle in den peripheren Bereich des Verdichtergehäuses 3 bzw. des Arbeitsgehäu ses 5 eingreift. Dabei befindet sich die Rotorwelle 29 radial um einen bestimmten Betrag von der Mantelfläche des Verdichterrotors 4 bzw. des Arbeitsrotors 6 ent fernt. Auf der Rotorwelle 29 sitzt drehfest der Rotati onsschieber 30, der mit einem Schenkel 31 ausgerüstet ist. Der Schenkel 31 des Rotationsschieber 30 ist so ausgebildet, daß er über einen Drehbereich von 180° in eine spiralförmig umlaufende Nut 32 des Verdichterrotors 4 bzw des Arbeitsrotors 6 eingreift und diese Nut 32 in den Ansaugraum 19 und den Verdichterraum 20 bzw. den Ex pansionsraum 21 und den Abgasraum 22 aufteilt. Die Bewe gungen der Rotorwellen 7 und 29 sind zwangsgesteuert und aufeinander abgestimmt.

Die Wirkungsweise des Rotationskolben-Verbrennungsmotors wird insbesondere an Hand der Fig. 3 bis 7 deutlich. Ein von außen eingeleiteter Startantrieb führt zu einer beispielsweise rechtssinnigen Drehbewegung der Rotorwel le 7 bzw. 26. Dadurch kommt es zu einer Vergrößerung des Ansaugraumes 19 und damit zum Ansaugen von Frischgas aus der Frischgasöffnung 10. Im gleichen Zuge verkleinert sich der Verdichterraum 20, wodurch das bereits vorhan dene Frischgas gegen das geschlossene Sperrventil 23 verdichtet wird. Nach dem öffnen des Sperrventiles 23 strömt das komprimierte Frischgas in die Brennkammer 9 und wird zwischen den beiden nunmehr geschlossenen Sperrventile 23 und 24 eingespannt und wahlweise nach einem der bekannten Verfahren gezündet und isochor ver brannt. Danach öffnet das Sperrventil 24, das verbrannte und hocherhitzte Verbrennungsgas strömt in den Expansi onsraum 21 und entspannt sich. Dabei verrichtet es Ar beit und treibt den Arbeitsrotor 6 an. Die dabei entste hende Drehbewegung der Rotorwelle 7 bzw. 27 steht als Antriebsenergie zur Verfügung.

So, wie sich der Expansionsraum 21 vergrößert, verklein ert sich der Abgasraum 22 und drängt das Abgas durch die Abgasöffnung 11.

Durch ein zeitlich aufeinander abgestimmtes Zusammen spiel der Öffnungs- und Schließbewegungen der Sperrven tile 23 und 24 und einer ausreichenden Dimensionierung des Verdichterraumes 20 kann folgender Effekt erzielt werden.

Beim Einströmen von Frischgas in die Brennkammer 8 ge langt ein bestimmter überschüssiger Anteil des Frischga ses auch in den Expansionsraum 21. Dabei kühlt das noch unverbrannte Frischgas im Inneren den erhitzten Arbeits block 2 und setzt die so aufgenommene Wärmeenergie so fort wieder in mechanische Energie zum Antrieb des Ar beitsrotors 6 mit ein.

Die Fig. 7 zeigt die funktionellen Abläufe eines Rotati onskolben-Verbrennungsmotors mit einer kreisbogenförmig ausgebildeten achsfernen Peripherie des Verdichterrotors 4 und des Arbeitsrotors 6, wenn die Bedingung erfüllt ist, daß die Spalttiefe der Dichtspalte 17 und 18 dem halben Umfang des Verdichterrotors 4 und des Arbeitsro tors 6 entspricht.

In diesem Fall ist es möglich, auf die ursprünglichen zwei Sperrventile 23 und 24 zu verzichten und zwei ge genüberliegende Brennkammerblöcke 8 einzusetzen. Dabei ergibt sich, daß der Ansaugraum 19 und der Verdichter raum 20 des Verdichterblockes 1 mit einer der beiden Brennkammern 8 und der Expansionsraum 21 und der Abgas raum 22 des Arbeitsblockes 2 zeitgleich mit der anderen der beiden Brennkammern 8 zusammenwirken und somit zwei Arbeitstakte je Umdrehung ermöglichen.

Bezugszeichenliste

1 Verdichterblock
2 Arbeitsblock
3 Verdichtergehäuse
4 Verdichterrotor
5 Arbeitsgehäuse
6 Arbeitsrotor
7 Rotorwelle
8 Brennkammerblock
9 Brennkammer
10 Frischgasöffnung
11 Abgasöffnung
12 Sperrschieber
13 Sperrschieber
14, 14′ Gleitschienen
15, 15′ Gleitnuten
16, 16′ Kolbenring
17 Dichtspalt
18 Dichtspalt
19 Ansaugraum
20 Verdichterraum
21 Expansionsraum
22 Abgasraum
23 Sperrventil
24 Sperrventil
25 Nockenwelle
26 Rotorwelle
27 Rotorwelle
28 Schiebergehäuse
29 Rotorwelle
30 Rotationsschieber
31 Schenkel
32 Nut

Claims

1. Rotationskolbenmaschine, bestehend aus einem Ver dichterblock mit einem Verdichtergehäuse und einem Ver dichterrotor und einem Arbeitsblock mit einem Arbeitsge häuse und einem Arbeitsrotor, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Verdichterblock (1) und der Arbeitsblock (2) über einen separaten, eine Brennkammer (9) aufweisenden Brennkammerblock (8) verbunden sind,
- der Verdichterrotor (4) und der Arbeitsrotor (6) in der Art angeordnet sind, daß sich zwischen der achs fernen Peripherie des Verdichterrotors (4) bzw. des Arbeitsrotors (6) und der Innenwandung des Verdichter gehäuses (3) bzw. des Arbeitsgehäuses (5) ein defi nierter Dichtspalt (17) bzw. (18) ergibt,
- im Verdichtergehäuse (3) bzw. im Arbeitsgehäuse (5) bewegliche Schieber geführt sind, die einen Minimal spalt an den Mantelflächen des Verdichterrotors (4) bzw. Arbeitsrotors (6) bilden und so im Innenraum des Verdichterblockes (1) bzw. des Arbeitsblockes (2) ei nen Ansaugraum (19) und einen Verdichterraum (20) bzw. einen Expansionsraum (21) und einen Abgasraum (22) ausgestalten und
- der Verdichterraum (20) von der Brennkammer (9) bzw. der Expansionsraum (21) von der Brennkammer (9) ge steuert trennbar sind.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Schieber zur Bildung eines Ansaugraumes (19), eines Verdichterraumes (20), eines Arbeitsraumes (21) und eines Abgasraumes (22) als oszillierende, unter radialem Druck stehende Sperrschieber (12 und 13) ausgebildet sind.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Schieber zur Bildung eines Ansaugraumes (19), eines Verdichterraumes (20), eines Arbeitsraumes (21) und eines Abgasraumes (22) als Rotationsschieber (30) ausgebildet sind.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsschieber (30) auf je einer außerhalb des Verdichterrotors (4) bzw. des Arbeitsrotors (6) gelagerten, achsparallel aber um 90° zur Rotorwelle (7) ausgerichteten Rotorwelle (29) befe stigt und mit je einem Schenkel (31) ausgerüstet sind, die jeweils im unteren Drehwinkelbereich von 180° in ei ne spiralförmig verlaufende Nut (32) des Verdichterro tors (4) bzw. des Arbeitsrotors (6) eingreifen, wobei die Rotorwelle (7) und die Rotorwelle (29) in ihren Be wegungen aufeinander abgestimmt sind.

5. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine entsprechende Di mensionierung des Verdichterblockes (1) und/oder des Ar beitsblockes (2) der Verdichterraum (20) kleiner als der Expansionsraum (21) ausgeführt ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterraum (20) und/oder der Expansionsraum (21) in mehreren, nebenein anderliegenden Kammern mit Überströmkanälen aufgeteilt ist.

7. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterblock (1) und der Arbeitsblock (2) achsparallel nebeneinander angeord net sind, der Verdichterrotor (4) einer Rotorwelle (26) und der Arbeitsrotor (6) einer Rotorwelle (27) zugeord net sind und beide Rotorwellen (26, 27) drehfest mitein ander verbunden sind.

8. Drehkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dichtspalt (17) des Ver dichterblockes (1) dem Dichtspalt (18) des Arbeitsbloc kes (2) in Drehrichtung um einen bestimmten Betrag vor aus eingestellt ist.

9. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterraum (20) bzw. der Expansionsraum (21) von der Brennkammer (9) jeweils durch ein steuerbares Sperrventil (23) bzw. (24) ge trennt wird.

10. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die achsferne Peripherie des Verdichterrotors (4) und des Arbeitsrotors (6) kreisbo genförmig gestaltet ist und so einen flächenmäßigen Dichtspalt (17, 18) mit einer definierten Spalttiefe bildet.

11. Rotationskolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalttiefe der Dichts palte (17, 18) dem halben Umfang des Verdichterrotors (4) und des Arbeitsrotors (6) entspricht und zwei Brenn kammerblöcke (8) gegenüberliegend angeordnet werden.

12. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterrotor (4) und der Arbeitsrotor (6) von kreisrunden, radial nach außen zeigende Gleitschienen (14, 14′) getragen werden, die mit entsprechend ausgebildeten, inneren Gleitnuten (15, 15′) im Verdichtergehäuse (3) und Arbeitsgehäuse (5) zu sammenwirken.

13. Rotationskolbenmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdichterblock (1) oder der Arbeitsblock (2) für sich allein als Maschine einge setzt werden.