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WO2004076819A2 - Rotationskolbenmaschine mit einem in einer ovalen kammer geführten ovalen rotationskolben - Google Patents

Rotationskolbenmaschine mit einem in einer ovalen kammer geführten ovalen rotationskolben Download PDF

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WO2004076819A2
WO2004076819A2 PCT/EP2004/001921 EP2004001921W WO2004076819A2 WO 2004076819 A2 WO2004076819 A2 WO 2004076819A2 EP 2004001921 W EP2004001921 W EP 2004001921W WO 2004076819 A2 WO2004076819 A2 WO 2004076819A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotary piston
chamber
oval
section
curvature
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2004/001921
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English (en)
French (fr)
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WO2004076819A3 (de
Inventor
Boris Schapiro
Lev Levitin
Naum Kruk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
RKM-ROTATIONSKOLBENMASCHINEN GbR
Original Assignee
RKM-ROTATIONSKOLBENMASCHINEN GbR
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to CA2517318A priority patent/CA2517318C/en
Priority to KR1020057016073A priority patent/KR101109422B1/ko
Priority to JP2006501959A priority patent/JP4461138B2/ja
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Publication of WO2004076819A3 publication Critical patent/WO2004076819A3/de
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    • F01C21/008—Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for rotary or oscillating-piston machines or engines
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    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01C1/00—Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/08—Rotary-piston machines or engines of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co- operating members similar to that of toothed gearing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C19/00—Sealing arrangements in rotary-piston machines or engines
    • F01C19/02—Radially-movable sealings for working fluids
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    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/10—Outer members for co-operation with rotary pistons; Casings
    • F01C21/104—Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber
    • F01C21/106—Stators; Members defining the outer boundaries of the working chamber with a radial surface, e.g. cam rings

Definitions

  • the invention relates to a rotary piston machine with a prismatic chamber formed in a housing, the cross section of which forms an oval, and a rotary piston which is movable in the chamber and whose cross section also forms an oval, the order of which deviates from the order of the oval forming the cross section of the chamber.
  • the rotary piston rotates alternately in successive movement sections about different axes of rotation from one stop position to the next and, when it rotates in any position, rests against the inner wall of the chamber to form two working spaces, and with an internal toothing opening in the rotary piston, the ' Internal toothing with a toothing arrangement for the input or output of the rotary movement is engaged.
  • FIG. 1 Figure composed of arcs.
  • the arcs are set up continuously and differentially.
  • the curve is continuous at the points where the arcs connect.
  • the tangents of the two adjacent arcs also coincide there.
  • the curve can be differentiated.
  • the second derivative - which determines the curvature - makes a jump.
  • the oval consists of alternating circular sections with a first, smaller, and a second, larger radius of curvature.
  • the order of the oval is determined by the number of pairs of circular sections with the first and the second radius of curvature.
  • a second-order oval or bi-oval is "ellipse-like" with two diametrically opposite circular arcs of smaller diameter, which are connected by two circular arcs of larger diameter.
  • US 3 967 594 A and US 3 006 901 A show a rotary piston machine with an oval piston in an oval chamber.
  • the cross section of the piston is bioval.
  • This bi-oval piston is movable in a tri-oval chamber.
  • complex gears are provided in order to transmit the rotary movement of the rotary piston to a shaft.
  • DE 199 20 289 CI also describes a rotary piston machine in which the cross section of a prismatic chamber formed in a housing is tri-oval with continuously and differentially adjoining first and second arcs of alternating a smaller radius of curvature and a larger radius of curvature.
  • a rotary piston with a bi-oval cross-section is guided in the chamber.
  • the bi-oval cross section of the rotary piston is alternately first and second
  • Circular arcs with the smaller or larger radii of curvature of the tri-oval cross-section of the chamber are formed, which again connect continuously and differentially to one another.
  • the bi-oval rotary piston carries out the movement cycles described above with jumping instantaneous axes of rotation. The movement of the rotary piston is tapped there in a very simple way:
  • the shaft extends centrally through the tri-oval chamber, i.e. along the intersection of the symmetry planes of the chamber.
  • the shaft carries a pinion.
  • the rotary piston has an oval opening with internal teeth. The long axis in the cross section of the opening extends along the short axis of the bi-oval cross section of the rotary piston.
  • the pinion constantly meshes with the internal toothing.
  • a housing forms a prismatic chamber, the cross section of which is such an oval of odd order, for example a Third-order oval.
  • the chamber forms cylindrical inner wall sections alternating with the first, smaller and the second, larger radius of curvature.
  • a rotary piston is movable, which in cross section forms an oval whose order is one less than the order of the oval of the chamber.
  • the oval used for the rotary piston has a double symmetry, even if it has a higher order, ie it is mirror-symmetrical with respect to two mutually perpendicular axes.
  • This rotary piston has two diametrically opposed cylindrical jacket sections whose radius of curvature corresponds to the smaller (first) radius of curvature of the oval of the chamber. If the rotary piston forms an oval in cross section, the second, larger radius of curvature of this oval is equal to the second radius of curvature of the oval forming the chamber.
  • the rotary piston lies with a first of these cylindrical jacket sections in a complementary cylindrical inner wall section of the chamber, which has the same smaller radius of curvature.
  • the second, diametrically opposite cylindrical casing section the rotary piston slides on the opposite cylindrical inner wall section of the chamber, which has the larger radius of curvature. In this way, two working spaces are formed by the rotary piston in the chamber, one of which increases in size and the other becomes smaller as the rotary piston rotates.
  • the rotary piston rotates about a current axis of rotation.
  • This instantaneous axis of rotation coincides with the cylinder axis of the first cylindrical jacket section.
  • This current axis of rotation therefore has a defined position relative to the rotary piston.
  • the instantaneous axis of rotation of course also corresponds to the cylinder axis of the cylindrical inner wall section which is fixed to the housing and has a smaller radius of curvature in which the rotary piston rotates.
  • This rotation continues until the second cylindrical jacket section of the rotary piston reaches a stop position. In this stop position, the second cylindrical jacket section lies in the lower wall section of smaller diameter adjoining the opposite inner wall section with a larger radius of curvature.
  • a further rotation of the rotary piston around the current pivot point is not possible.
  • the current axis of rotation therefore jumps for the next one Movement section in a different position, namely the cylinder axis of the second cylindrical jacket section.
  • This new momentary axis of rotation is also in a defined position relative to the rotary piston.
  • the next movement section it corresponds to the cylinder axis of the cylindrical inner wall section, in which the second cylindrical jacket section of the rotary piston now rotates.
  • the “first” cylindrical jacket section slides again on the opposite inner wall section with a larger radius of curvature.
  • the rotary piston In such a rotary piston machine, the rotary piston always rotates in the same direction of rotation but alternately around different instantaneous axes of rotation, the
  • Inner wall sections with a smaller radius of curvature.
  • the volume of one work area increases to a maximum value, while the volume of the other work area decreases to a minimum value.
  • the rotary piston is also in the
  • Such a rotary piston engine can be used as a two-stroke or four-stroke internal combustion engine (with internal combustion) or as an external combustion engine, e.g. Steam engine. But it can also be used as an air pressure motor
  • Hydraulic motor or work as a pump Hydraulic motor or work as a pump.
  • a rotary piston the cross section of which is an oval of the second order, can be moved in a chamber whose cross section forms an oval of the third order.
  • a single output shaft extending centrally through the chamber serves to tap the movement of the rotary piston.
  • the output shaft protrudes through an oval opening in the rotary piston and carries a pinion.
  • the pinion meshes with a toothing on the inside of the opening.
  • the order of the oval defining the chamber is in each case one greater than the order of the oval which forms the cross section of the rotary piston.
  • a bi-oval rotary piston is guided in a tri-oval chamber. The current axes of rotation of the
  • Rotary piston in the stop positions relative to the rotary piston only between two positions, relative to the housing but between at least three positions.
  • the rotary piston with the small radius section translates along the large radius section along the inner wall of the chamber. This can lead to sealing problems in the sealing between the work rooms
  • Chamber drove Another problem arises from the fact that, in each working cycle of the rotary piston machine, successively more than two working spaces are formed, which move around along the inner wall of the housing.
  • the invention has for its object to improve the seal between the working spaces of the chamber in a rotary piston machine of the type mentioned.
  • the invention is further based on the object in the stop positions of the rotating body in a simple manner, a closed kinematics with clear
  • the invention is specifically based on the object of reducing the number of instantaneous axes of rotation occurring in relation to the housing.
  • the invention is based on the object of designing a rotary piston machine of the type mentioned at the outset in such a way that only two alternatingly enlarging and reducing work spaces occur which are arranged opposite one another in fixed angular positions with respect to the housing.
  • the order of the oval of the chamber is one less than the order of the oval of the rotary piston
  • the breakthrough is essentially mathematically similar to the rotary piston
  • the Levels of symmetry of the opening coincide with those of the rotary piston
  • the toothing arrangement has a pair of shafts provided with external toothing and fixed to the housing, the outer toothing of which engages with the inner toothing of the opening, with one shaft in each area of a section of the opening with a smaller one Radius of curvature and the other shaft is arranged in the region of a section with a larger radius of curvature and the shafts interchange their roles in successive movement sections.
  • Rotary piston in an oval chamber with the formation of working spaces which are sealed off from one another, even if, in contrast to the prior art, the rotary piston has a higher order of oval than the chamber, e.g. a tri-oval rotary piston rotates in a bi-oval chamber. The rotation takes place around one of two momentary axes of rotation, which are fixed to the housing
  • Waves are formed.
  • the axes of rotation have gears or external gears. which are in engagement with an internal toothing of an essentially oval opening in the rotary piston.
  • One of the shafts sits in an area of the smaller radius of curvature of the oval opening, e.g. almost in a "corner” of the "arch triangle” forming the breakthrough.
  • the other shaft is in engagement with the opposite area of the internal toothing with the larger radius of curvature, that is to say the opposite side of the triangular arch.
  • Rotary piston leads in the chamber.
  • speed-regulating means are provided in a further embodiment of the invention, by means of which, when a stop position is reached for that shaft, the external toothing in the previous movement section with the internal toothing in the region of the larger one
  • Speed can be specified in that one of two shafts fixed to the housing is braked by braking means, which is structurally simple to accomplish.
  • a peripheral portion of the rotary piston rotates relatively slowly on a peripheral portion with a large K-radius of curvature of the inner wall of the chamber.
  • the two shafts rotate alternately at lower and higher speeds.
  • a differential or a freewheel By means of a differential or a freewheel, a constant speed of rotation of an input or output shaft coupled to the two shafts can be provided.
  • Fig.l shows a cross section of a rotary piston machine with two shafts, a rotary piston, the cross section of which forms an oval of the third order, is guided in a chamber, the cross section of which is an oval of the second order.
  • Fig.2 is a representation similar to Fig.2 and shows the rotary piston in one
  • Figure 3 is a representation similar to Figure 2 and shows the rotary piston during the next movement section.
  • FIG. 4 shows a cross section of a rotary piston machine with two shafts, a rotary piston, the cross section of which forms a fifth-order oval, being guided in a chamber, the cross-section of which is an fourth-order oval.
  • FIG. 4A shows a modification of the arrangement according to FIG.
  • FIG. 5 shows a cross section of a rotary piston machine with two shafts, a rotary piston, the cross section of which forms a seventh-order oval, is guided in a chamber, the cross section of which is an oval sixth
  • Fig. 6 is a schematic representation of the speed regulating means.
  • 7A is a schematic, enlarged representation of the seal in a
  • Rotary piston machine of the type shown in Figures 1 to 5, wherein the seal between a sealing strip and a Circumferential portion of the rotary piston with a smaller radius of curvature takes place.
  • FIGS. 7B is a schematic, enlarged representation of the seal in a rotary piston machine of the type shown in FIGS. 1 to 5, the seal between a sealing strip and a
  • Circumferential portion of the rotary piston is carried out with a larger radius of curvature.
  • FIG. 8 shows a detail of the rotary piston machine from FIG. 4A on an enlarged scale.
  • Figure 8 A shows the detail of Figure 8 on a further enlarged scale.
  • Fig.l 10 denotes a housing.
  • a chamber 12 is formed in the housing 10.
  • the cross section of chamber 12 forms a second order oval or is "bioval".
  • the cross section of the chamber 12 is accordingly formed by two circular arcs 14 and 16 of a relatively small radius of curvature and alternately between two circular arcs 18 and 20 of a relatively large radius of curvature.
  • the arcs are continuous and differentiated.
  • a rotary piston 22 is guided in the chamber 12.
  • the cross section of the rotary piston 22 forms a third-order oval or is tri-oval. Accordingly, the circumference of the cross section consists of three pairs, each of a circular arc of relatively My radius of curvature 24, 26 and 28 and a circular arc of relatively large
  • Radius of curvature 30, 32 and 34 formed.
  • the circular arcs of small and large radius of curvature alternate and are also continuous and differentiable.
  • the small radii of curvature of the rotary piston 22 are equal to your radii of curvature of the chamber 12, and likewise the large radii of curvature of the rotary piston 22 are equal to the large radii of curvature of the chamber 12
  • the cross section of chamber 12 resembles an ellipse, although it is not an ellipse at the moment.
  • the cross section of the rotary piston 22 is similar to an arc triangle with rounded corners.
  • the rotary piston 22 has a central opening 36.
  • the cross section of the opening 36 also forms a third-order oval. This third-order oval is formed by three circular arcs with a relatively small radius of curvature 38, 40 and 42 and three circular arcs 44, 46 and 48 with a relatively large radius of curvature.
  • Arcs 38, 40 and 42 with a small radius of curvature and the arcs 44, 46 and 48 with a large radius of curvature adjoin each other alternately and continuously and differentially, so that an oval is formed like an arc triangle with rounded ends.
  • the planes of symmetry 50, 52 and 54 of the opening 36 coincide with the planes of symmetry of the rotary piston 22.
  • the opening 36 has an internal toothing 56.
  • This internal toothing 56 has three concave-arched toothed strips 58, 60 and 62, essentially along the circular arcs 44, 46 and 48 of large radius of curvature. Between these concave-arched toothed racks 58, 60 and 62 are small in the area of the circular arcs
  • Radius of curvature provided convex-arc-shaped (or possibly straight) toothed strips 64, 66 and 68.
  • the rotary piston 22 divides the bi-oval chamber 12 into two working spaces 80 and 82.
  • FIG. 1 the rotary piston machine is shown schematically as
  • an inlet valve 84 and 86 and an outlet valve 88 and 90 are shown for each working space 80 and 82. Furthermore, there is a work space 80 and 82, respectively Brermkarnmer 92 or 94 with a spark plug or an injection nozzle 96 or 98.
  • the working spaces 80 and 82 with the valves and spark plugs or injection nozzles are symmetrical to the plane of symmetry extending through the circular arcs 14 and 14 of the cross section with a small radius of curvature. This is only a schematic representation.
  • pairs of mutually adjacent sealing strips 100A and 100B or 102A and 102B are provided on the housing.
  • the sealing strips 100A and 100B or 102A and 102B are symmetrical to that through the circular arcs 18 and 20 of large cross-section
  • FIG. 7A shows the sealing strips 100A and 100B at a position in the region of the transition from the smaller radius of curvature rj of the outer surface of the rotary piston 22 on the right in FIG. 7A to the region of the larger radius of curvature r 2 of this outer surface on the left in FIG. 7A.
  • the sealing strip 100A has a concave-cylindrical inner surface, the radius of curvature of which corresponds to the larger radius of curvature r 2 .
  • the sealing strip 100B has a concave-cylindrical inner surface whose radius of curvature corresponds to the smaller radius of curvature r x . It can be seen that the inner surface of the sealing strip 100A is in the region of the radius of curvature r 2 of the
  • Rotating piston 22 abuts the complementary surface of the rotating piston 22.
  • a wedge-shaped gap 100C is formed between the sealing strip 100A and the rotary piston 22 and the inner surface of the sealing strip 100A.
  • the sealing strip 100B has a concave-cylindrical
  • the rotary piston 22 rotates counterclockwise in Fig.l.
  • the rotary piston 22 rotates about the shaft 70 and slides at a low speed on the inner wall of the chamber 12 in the region of the large radius of curvature.
  • Wave 70 passes through the center of curvature of the circular arc 24 of small radius of curvature.
  • the circular arc 24 touches the circular arc 18 of the cross section of the chamber 12.
  • the opposite region of the circumferential surface of the rotary piston 22 with the large radius of curvature corresponding to the circular arc 32 lies against the region of the inner wall of the chamber 12 corresponding to the circular arc 20.
  • This area of the inner wall has the same radius of curvature as the adjacent area of the outer surface of the rotary piston. So there is a form-fitting, flat system. During the rotary movement, this area of the lateral surface of the rotary piston slides on the corresponding area of the inner wall.
  • the working space 80 increases while the working space 82 shrinks.
  • the shaft 70 is rotated relatively slowly, while the shaft 72 rotates relatively quickly.
  • the area of the circumferential surface of the rotary piston corresponding to the circular arc 28 lies in the area of the inner wall of the chamber 12 which corresponds to the circular arc 16. Both areas have the same, namely the small one Radius of curvature.
  • the regions of the circumferential surface of the rotary piston which correspond to the circular arcs 32 and 34 with the large radius of curvature lie against the regions of the inner wall of the chamber 12 which correspond to the circular arcs 18 and 20 of the cross section.
  • the radii of curvature are the same again.
  • the volume of the working chamber 82 is thus reduced to zero apart from the brake chamber 94, while the working chamber 82 has its maximum volume.
  • the shaft 72 with the toothed wheel 76 then lies in the opening 36 in the area which corresponds to the circular arc 40, that is to say in the lower left "corner" of the triangle.
  • the rotary piston 22 can no longer rotate about the axis of the shaft 70 as the current axis of rotation.
  • the further course of motion is then related to the new current axis of rotation as described above with reference to the axis of the shaft 70 as the current axis of rotation.
  • each movement section runs from one of the described stop positions to the next.
  • a work space increases, e.g. 80, from zero to a maximum, while the other workspace is reduced from the maximum to zero.
  • the work space 82 increases from zero (FIG. 2) to a maximum, while the work space 80 shrinks again
  • FIG. 3 The kinematics is not clear in the position of FIG.
  • Each of the two shafts could define a current axis of rotation with its axis. If, for example, a force is exerted to the left on the rotary piston 22 by a working medium introduced into the working space 82, this force could possibly lead to a translatory movement in the horizontal direction in FIG. 2 instead of a rotation of the rotary piston 22 about a momentary axis of rotation. This would wedge the rotary piston 22 in the chamber 12.
  • the sensors signal when the rotary piston has reached a stop position.
  • a control 142 which is acted upon by the signals from the sensors, then controls devices 144 and 146, by means of which, depending on which stop position has been reached, rotational speeds of shaft 70 and shaft 72 are briefly predetermined. It will then e.g. the shaft 70 has a low speed and the shaft 72 has a higher speed or vice versa.
  • the devices 144 and 146 can be braking devices, which act alternately briefly on the shaft 70 or the shaft 72 in the stop positions, while the other shaft remains unrestrained.
  • the radii of the partial circles of the gearwheels correspond essentially to the small radii of curvature of the second-order oval forming the opening 36. If the internal toothing 56 would continuously follow the oval of the opening 36, the gearwheels would be caught in the end positions of the rotary piston 22. The “corners” of the "triangle” could not roll over the gears. For this reason, the concave-arched toothed strips in the region of the circular arcs 38, 40, 42 with a small diameter are connected by short straight or convex-arched toothed strips 64, 66 and 68, respectively. The convex-arched toothed racks 64, 66 and 68 allow the rear toothing 56 and thus the rotary piston 22 to roll on over these areas.
  • each gear is constantly in engagement with one of the concave-arched toothed racks 64, 66 or 68.
  • the short convex-arch-shaped or straight toothed strips ensure a transition without interrupting the form fit but also without blocking.
  • FIG. 4 shows a rotary piston machine with a chamber 104, the cross section of which forms a fourth-order oval 106.
  • a rotary piston 108 is guided in the chamber 104, the cross section of which forms a fifth-order oval 110.
  • the rotary piston 108 has an opening 112 whose shape forms a fifth-order oval 114.
  • the axes of symmetry of the rotary piston 108 and the opening 112 coincide.
  • the opening 112 has an internal toothing 116.
  • the internal toothing 116 is in engagement with two gear wheels 118 and 120.
  • the gear wheels 118 and 120 are seated on two shafts 122 and 124 fixed to the housing.
  • the axes 126 and 128 of the shafts 122 and 124 lie in a plane of symmetry of the chamber 104.
  • the rotary piston 108 divides the chamber into two working spaces 130 and 132, one of which enlarges and the other decreases as the rotary piston rotates.
  • the workflow is similar to the workflow of the execution from Fig.l to 3.
  • the workflow is similar to the workflow of the execution from Fig.l to 3.
  • Rotary piston 108 rotates e.g. about the axis 126 of a shaft 122 up to a stop position. Then the current axis of rotation jumps into the axis 128 of the other shaft 124. The rotary piston rotates further about this axis counterclockwise from FIG. 4 to the next stop position.
  • the sequence of movements between two successive stop positions is a "movement section".
  • the working space 130 increases from zero to a maximum and the working space 132 decreases from a maximum to zero or vice versa.
  • the workspaces are always on both sides of axes 126 and 128 of the plane of symmetry containing waves 122 and 124. They do not wander around the chamber.
  • valves and spark plugs or injection nozzles are shown (schematically) for each work area.
  • Figure 4A shows a rotary piston machine similar to that of Figure 4. Corresponding parts have the same reference numerals as there. Details of the rotary piston machine of Figure 4A are shown on an enlarged scale in Figures 8 and 8A.
  • an injection nozzle is designated by 150.
  • the injection nozzle 150 protrudes into a combustion chamber 152.
  • This combustion chamber is dimensioned and designed in such a way that the fuel injected essentially only burns in the combustion chamber. Only the expanding combustion gases then enter the expanding work area.
  • the injection can be metered as a function of time or as a function of the rotation of the rotary piston so that it is adapted to the change in volume of the working space 130 or 132. No flame front then appears in the work area. The spreading of flame fronts in an expanding work space causes problems in known rotary piston machines.
  • the combustion chamber 152 to a kugelkalottenf 'shaped recess of the housing, to which a kegelstumpff ⁇ rmiger, to the processing space tapering space 156 is connected.
  • the space 156 is formed in an insert 158 which is threaded into an insert
  • Recess of the wall of the working space 130 or 132 is screwed in.
  • the combustion chamber 152 is closed off by a grid or network 160.
  • the injection nozzle 150 runs out into a cone rounded off at the tip, the injection taking place via nozzle openings in the jacket of this cone.
  • the described arrangement of the injection nozzle in a combustion chamber can also be used with other machines, for example with reciprocating piston machines.
  • FIG. 5 shows a rotary piston machine, in which a rotary piston, the cross section of which forms an oval of the seventh order, is guided in a chamber whose
  • Cross section is a sixth-order oval.
  • the structure and function are, apart from the order of the ovals, similar to that of the embodiment in Fig. 4.
  • Corresponding parts are provided with the same reference numerals as in FIG. 4 but with the addition "A”.

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Abstract

Eine Rotationskolbenmaschine weist in einem Gehäuse (10) eine prismatischen Kammer (12) auf, deren Querschnitt ein Oval bildet. In der Kammer (12) ist ein Rotationskolben (22) beweglich, dessen Querschnitt ebenfalls ein Oval bildet. Die Ordnung des Ovals de Kammer (12) ist um eins geringer ist als die Ordnung des Ovals des Rotationskolbens(22). Der Rotationskolben (22) dreht sich abwechselnd in aufeinanderfolgende Bewegungsabschnitten um unterschiedliche Drehachsen jeweils von einer Anschlagstellung zur nächsten. Bei seiner Drehbewegung liegt der Rotationskolben in jeder Position an der Innenwandung der Kammer (22) unter Bildung von zwei Arbeitsräumen (80,82) an. Der Rotationskolben (22) weist einen mit einer Innenverzahnung (56) versehenen Durchbruch (36) auf, dessen Innenverzahnung (56) mit einer Verzahnungsanordnung für den An- oder Abtrieb der Drehbewegung in Eingriff ist. Der Durchbruch (36) ist dem Rotationskolben (22) im wesentlichen mathematisch ähnlich ist, wobei die Symmetrieebenen (50,52,54) des Durchbruchs (36) mit denen des Rotationskolbens (22) zusammenfallen. Die Verzahnungsanordnung weist ein Paar mit Aussenverzahnung (74,76) versehene, gehäusefest gelagerte Wellen (70,72) auf, deren Außenverzahnungen (74,76) mit der Innenverzahnung (56) des Durchbruchs (36) in Eingriff sind, wobei in jedem Bewegungsabschnitt jeweils die eine Welle (z.B. 70) im Bereich eines Abschnitts (38) des Durchbruchs mit kleinerem Krümmungsradius und die andere Welle (72) im Bereich eines Abschnitts (46) mit grösserem Krümmungsradius angeordnet ist und die Wellen (70,72) in aufeinanderfolgenden Bewegungsabschnitten ihre Rollen vertauschen.

Description

Rotationskolbenmaschine mit einem in einer ovalen Kammer gefiihrten ovalen Rotationskolben
Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einer in einem Gehäuse gebildeten prismatischen Kammer, deren Querschnitt ein Oval bildet, und einem in der Kammer beweglichen Rotationskolben, dessen Querschnitt ebenfalls ein Oval bildet, dessen Ordnung von der Ordnung des den Querschnitt der Kammer bildenden Ovals abweicht, wobei der Rotationskolben sich abwechselnd in aufeinanderfolgenden Bewegungsabschnitten um unterschiedliche Drehachsen jeweils von einer Anschlagstellung zur nächsten dreht und bei seiner Drehbewegung in jeder Position an der Innenwandung der Kammer unter Bildung von zwei Arbeitsräumen anliegt, und mit einem mit einer Innenverzahnung versehenen Durchbruch des Rotationskolbens, dessen ' Innenverzahnung mit einer Verzahnungsanordnung für den An- oder Abtrieb der Drehbewegung in Eingriff ist.
Ein "Oval" ist in der Mathematik eine nicht-analytische, geschlossene flache konvexe
Figur, die aus Kreisbögen zusammengesetzt ist. Die Kreisbögen sind stetig und differenzierbar aneinandergesetzt. In den Punkten, in denen die Kreisbögen aneinander anschließen, ist die Kurve stetig. Es fallen dort auch die Tangenten des der beiden aneinander anschließenden Kreisbögen zusammen. Die Kurve ist differenzierbar. In den Punkten, wo die Kreisbögen mit verschiedenen Krümmungsradien aneinander anschließen, macht die zweite Ableitung -welche die Krümmung bestimmt- einen Sprung. Das Oval besteht alternierend aus Kreisabschnitten mit einem ersten, kleineren, und einem zweiten, größeren Krümmungsradius. Die Ordnung des Ovals ist bestimmt durch die Anzahl der Paare von Kreisabschnitten mit dem ersten und dem zweiten Krümmungsradius. Ein Oval zweiter Ordnung oder Bi-Oval ist "ellipsenähnlich" mit zwei diametral gegenüberliegenden Kreisbögen von kleinerem Durchmesser, die durch zwei Kreisbögen von größerem Durchmesser verbunden sind.
Rotationskolbenmaschinen der eingangs genannten Art sind bekannt.
Die US 3 967 594 A und die US 3 006 901 A zeigen eine Rotationskolbenmaschine mit einem ovalen Kolben in einer ovalen Kammer. Dabei ist der Kolben im Querschnitt bioval. Dieser bi-ovale Kolben ist in einer tri-ovalen Kammer beweglich. Bei diesen bekannten Rotationskolbenmaschinen sind aufwendige Getriebe vorgesehen, um die Drehbewegung des Rotationskolbens auf eine Welle zu übertragen.
Die DE 199 20 289 CI beschreibt ebenfalls eine Rotationskolbenmaschine, bei welchem der Querschnitt einer in einem Gehäuse gebildeten prismatischen Kammer tri-oval mit aneinander stetig und differenzierbar anschließenden ersten und zweiten Kreisbögen von abwechselnd einem kleineren Krümmungsradius und einem größeren Krümmungsradius ist. In der Kammer ist ein Rotationskolben mit bi-ovalem Querschnitt geführt. Der bi- ovale Querschnitt des Rotationskolbens ist von abwechselnd ersten und zweiten
Kreisbögen mit den kleineren bzw. größeren Krümmungsradien des tri-ovalen Querschnitts der Kammer gebildet, die wieder stetig und differenzierbar aneinander anschließen. Der bi-ovale Rotationskolben führt in der tri-ovalen Kammer die oben beschriebenen Bewegungszyklen mit springenden momentanen Drehachsen aus. Die Bewegung des Rotationskolbens wird dort auf sehr einfache Weise abgegriffen: Eine
Welle erstreckt sich zentral durch die tri-ovale Kammer, also entlang der Schnittlinie der Symmetrieebenen der Kammer. Die Welle trägt ein Ritzel. Der Rotationskolben weist einen ovalen Durchbruch mit einer Innenverzahnung auf. Die lange Achse im Querschnitt des Durchbruchs erstreckt sich längs der kurzen Achse des bi-ovalen Querschnitts des Rotationskolbens. Das Ritzel kämmt ständig mit der Innenverzahnung.
Bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen bildet ein Gehäuse eine prismatische Kammer, deren Querschnitt ein solches Oval ungerader Ordnung, also beispielsweise ein Oval dritter Ordnung bildet. Die Kammer bildet zylindrische Innenwandabschnitte abwechselnd mit dem ersten, kleinern und dem zweiten, größeren Krümmungsradius. In einem solchen Oval dritter (fünfter oder siebenter und höherer) Ordnung ist ein Rotationskolben beweglich, der im Querschnitt ein Oval bildet, dessen Ordnung um eins geringer ist als die Ordnung des Ovals der Kammer. Das für den Rotationkolben verwendete Oval hat - auch wenn es eine höhere Ordnung besitzt- eine zweifache Symmetrie, d.h. es ist spiegelsymmetrisch in bezug auf zwei zueinander senkrechte Achsen. Dieser Rotationskolben weist zwei diametral gegenüberliegende zylindrische Mantelabschnitte auf, deren Krümmungsradius dem kleineren (ersten) Krümmungsradius des Ovals der Kammer entspricht. Wenn der Rotationskolben im Querschnitt ein Oval bildet, ist der zweite, größere Krümmungsradius dieses Ovals gleich dem zweiten Krümmungsradius des die Kammer bildenden Ovals. In einem bestimmten Bewegungsabschnitt liegt der Rotationskolben mit einem ersten dieser zylindrischen Mantelabschnitte in einem dazu komplementären zylindrischen Innenwandabschnitt der Kammer, der den gleichen kleineren Krümmungsradius aufweist. Mit dem zweiten, diametral gegenüberliegenden zylindrischen Mantelabschnitt gleitet der Rotationskolben an dem gegenüberliegenden zylindrischen Innenwandabschnitt der Kammer, der den größeren Krümmungsradius besitzt. In der Kammer werden auf diese Weise von dem Rotatioskolben zwei Arbeitsräume gebildet, von denen bei der Drehung des Rotationskolbens der eine sich vergrößert und der andere kleiner wird. Der
Rotationskolben dreht sich dabei um eine momentane Drehachse. Diese momentane Drehachse fällt mit der Zylinderachse des ersten zylindrischen Mantelabschnitts zusammen. Diese momentane Drehachse hat daher eine definierte Position relativ zu dem Rotationskolben. Die momentane Drehachse entspricht in diesem Bewegungsabschnitt natürlich auch der gehäusefesten Zylinderachse des zylindrischen Innenwandabschnitts von kleinerem Krümmungsradius, in dem sich der Rotationskolben dreht. Diese Drehung setzt sich fort, bis der zweite zylindrische Mantelabschnitt des Rotationskolbens in eine Anschlagposition gelangt. In dieser Anschlagposition liegt der zweite zylindrische Mantelabschnitt in dem an den gegenüberliegenden Innenwandabschnitt von größerem Krümmungsradius anschließenden Lt enwandabschnitt von kleinerem Durchmesser.
Eine weitere Drehung des Rotationskolbens um den bisherigen momentanen Drehpunkt ist nicht möglich. Die momentane Drehachse springt daher für den nächsten Bewegungsabschnitt in eine andere Position, nämlich die Zylinderachse des zweiten zylindrischen Manteläbschnitts. Auch diese neue momentane Drehachse ist in einer definierten Position relativ zu dem Rotationskolben. Sie entspricht in dem nächsten Bewegungsabschnitt der Zylinderachse des zylindrischen Innenwandabschnitts, in dem sich jetzt der zweite zylindrische Mantelabschnitt des Rotationskolbens dreht. Der "erste" zylindrische Mantelabschnitt gleitet in diesem Bewegungsabschnitt wieder an dem gegenüberliegenden Innenwandabschnitt mit größerem Krümmungsradius.
Bei einer solchen Rotationskolbenmaschine dreht sich der Rotationskolben immer in dem gleichen Drehsinn aber abwechselnd um verschiedene momentane Drehachsen, wobei die
Drehachsen nach jedem Bewegungsabschnitt "springen". Bezogen auf den Rotationskolben sind zwei solche momentanen Drehachsen definiert, nämlich durch die Zylinderachsen der diametral einander gegenüberliegenden zylindrischen Mantelabschnitte. Bezogen auf das Gehäuse und die darin gebildete Kammer springt die momentane Drehachse zwischen den "Ecken" des Ovals, also den Zylinderachsen der
Innenwandabschnitte mit kleinerem Krümmungsradius.
Bei jedem Bewegungsabschnitt wächst das Volumen eines Arbeitsraumes bis zu einem Maximalwert an, während das Volumen des jeweils anderen Arbeitsraumes sich bis zu einem Minimalwert vermindert. Im Idealfall, wenn der Rotationskolben ebenfalls im
Querschnitt ein Oval bildet, wächst das Volumen des Arbeitsraumes von praktisch null auf den Maximalwert bzw. vermindert sich auf praktisch null. Eine solche Rotationskolbenmaschine kann als Zweitakt- oder Viertakt- Verbrennungskraftmaschine (mit innerer Verbrennung) oder als Kraftmaschine mit äußerer Verbrennung, z.B. Dampfmaschine, ausgebildet sein. Sie kann aber auch als Luftdruckmotor, als
Hydraulikmotor oder als Pumpe arbeiten.
Bei der DE 199 20 289 CI ist in einer Kammer, deren Querschnitt ein Oval dritter Ordnung bildet, ein Rotationskolben beweglich, dessen Querschnitt ein Oval zweiter Ordnung ist. Zum Abgreifen der Bewegung des Rotationskolbens dient eine einzige sich zentral durch die Kammer erstreckende Abtriebswelle. Die Abtriebswelle ragt durch einen ovalen Durchbruch des Rotationskolbens und trägt ein Ritzel. Das Ritzel ist in Eingriff mit einer Verzahnung auf der Innenseite des Durchbruchs. Bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen ist die Ordnung des die Kammer definierenden Ovals jeweils um eins größer als die Ordnung des Ovals, das den Querschnitt des Rotationskolbens bildet. Ein bi-ovaler Rotationskolben ist in einer tri- ovalen Kammer geführt. Dabei springen die momentanen Drehachsen des
Rotationskolbens in den Anschlagstellungen relativ zu dem Rotationskolben nur zwischen zwei Positionen, relativ zu dem Gehäuse aber zwischen wenigstens drei Positionen. Der Rotationskolben bewegt sich mit dem Abschnitt von kleinem Radius translatorisch an dem Abschnitt von großem Radius der Innenwand der Kammer entlang. Das kann zu Dichtungsproblemen bei der Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen der
Kammer fuhren. Ein weiteres Problem ergibt sich daraus, daß in jedem Arbeitszyklus der Rotationskolbenmaschine nacheinander nacheinander mehr als zwei Arbeitsräume gebildet werden, die längs der Innenwandung des Gehäuses herumwandern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Rotationskolbenmascliine der eingangs genannten Art die Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen der Kammer zu verbessern.
Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, in den Anschlagpositionen des Rotationskörpers auf einfache Weise eine abgeschlossene Kinematik mit eindeutiger
Bewegung des Rotationskolbens zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt hierzu speziell die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der bezogen auf das Gehäuse auftretenden momentanen Drehachsen zu verringern.
Der Erfindung liegt schließlich die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art so auszubilden, daß nur zwei sich abwechselnd vergrößernde und verkleinernde Arbeitsräume auftreten, welche gegenüberliegenden in festen Winkellagen zu dem Gehäuse angeordnet sind.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß die Ordnung des Ovals der Kammer um eins geringer ist als die Ordnung des Ovals des Rotationskolbens, der Durchbruch dem Rotationskolben im wesentlichen mathematisch ähnlich ist, wobei die Symmetrieebenen des Durchbruchs mit denen des Rotationskolbens zusammenfallen, und die Verzahnungsanordnung ein Paar mit Außenverzahnung versehene, gehäusefest gelagerte Wellen aufweist, deren Außenverzahnungen mit der Innenverzahnung des Durchbruchs in Eingriff sind, wobei in jedem Bewegungsabschnitt jeweils die eine Welle im Bereich eines Abschnitts des Durchbruchs mit kleinerem Krümmungsradius und die andere Welle im Bereich eines Abschnitts mit größerem Krürnmungsradius angeordnet ist und die Wellen in aufeinanderfolgenden Bewegungsabschnitten ihre Rollen vertauschen.
Überraschenderweise erhält man eine eindeutige Führung eines im Querschnitt ovalen
Rotationskolbens in einer ovalen Kammer unter Bildung von gegeneinander abgedichteten Arbeitsräumen auch dann, wenn der Rotationskolben im Gegensatz zum Stand der Technik höhere Ordnung des Ovals aufweist als die Kammer, also z.B. ein tri- ovaler Rotationskolben sich in einer bi-ovalen Kammer dreht. Dabei erfolgt die Drehung jeweils um eine von zwei momentanen Drehachsen, die aber hier von gehäusefesten
Wellen gebildet sind. Die Drehachsen weisen Zahnräder oder Außenverzahnungen auf. die mit einer Innenverzahnung eines im wesentlichen ovalen Durchbruchs des Rotationskolben in Eingriff sind. Eine der Wellen sitzt jeweils in einem Bereich des kleineren Krümmungsradius des ovalen Durchbruchs, also z.B. quasi in einer "Ecke" des den Durchbruch bildenden "Bogendreiecks". Die andere Welle ist in Eingriff mit dem gegenüberliegenden Bereich der Innenverzahnung mit dem größeren Krümmungsradius, also quasi der gegenüberliegenden Seite des Bogendreiecks.
In einer Anschlagstellung liegt bei einer Rotationskolbenmaschie mit bi-ovaler Kammer und tri-ovalem Rotationskolben der Rotationskolben mit zwei benachbarten Bereiche mit größerem Krümmungsradius und dem dazwischenliegenden Bereich von kleinerem Krümmungsradius an der Innenwandung der Kammer an. Wenn der Rotationskolben in eine solche Anschlagstellung gelangt, sitzt auch die andere Welle in einer Ecke des Bogendreiecks. Die weitere Drehung des Rotationskolbens im gleichen Drehsinn erfolgt dann um die ersterwähnte Welle. Auch hier springen somit die Drehachsen bei Erreichen einer Anschlagstellung. Dieses Springen erfolgt aber zwischen zwei gehäusefesten Achsen, nämlich zwischen den Drehachsen der beiden Wellen. Generell gilt: Bei einer 2n-ovalen Kammer hat der darin geführte Rotationskolben die Ordnung 2n+l. In den Anschlagpositionen liegt dann der Rotationskolben mit n+1 "Seiten" formschlüssig an der Innenwandung der Kammer an, während jeweils n "Seiten" diejenige Arbeitskammer begrenzen, die dann ihre maximale Ausdehnung besitzt. Es werden zwei Arbeitsräume auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses gebildet.
In der den Anschlagstellungen ist die Kinematik des Rotationskolbens in der Kammer nicht abgeschlossen. Statt einer weiteren Drehbewegung könnte z.B. durch die Einleitung eines Druckmittels in den im Volumen minimierten Arbeitsraum oder durch Zünden eines Treibstoffgemisches eine Querkraft auftreten, welche zu einem Verklemmen des
Rotationskolbens in der Kammer führt. Um dieses Problem zu lösen und eine abgeschlossene Kinematik zu erhalten, sind in weiterer Ausbildung der Erfindung drehzählregulierende Mittel vorgesehen, mittels deren bei Erreichen einer Anschlagstellung für diejenige Welle, deren Außenverzahnungr im vorangegangenen Bewegungsabschnitt mit der Innenverzahnung im Bereich des größeren
Krümmungsradius in Eingriff war, eine geringere Drehzahl erzwingbar ist als für die andere Welle . Das stellt sicher, daß sich der Rotationskolben in der vorgesehenen Weise um die zwangsweise mit geringerer Drehzahl umlaufende Welle weiterdreht. Diese erzwungene Drehzahlvorgabe braucht nur jeweils kurzzeitig zu erfolgen, bis der Rotationskolben sich aus der Anschlagstellung herausgedreht hat. Die erzwungene
Drehzahlvorgabe kann dadurch erfolgen, daß durch Bremsmittel jeweils eine von zwei gehäusefesten Wellen abgebremst wird, was konstruktiv einfach zu bewerkstelligen ist.
Auf einer Seite dreht sich ein Umfangsabschnitt des Rotationskolbens relativ langsam an einem Umfangsabschnitt mit großem K-rümmungsradius der Innenwand der Kammer ab.
Die langsame Bewegung vermindert die Dichtprobleme. Auf der gegenüberliegenden Seite gleitet ein Umfangsabschnitt des Rotationskolbens mit großem Krümmungsradius auf einem ebensolchen Umfangsabschnitt der Innenwand. Das ergibt eine große Dichtfläche.
Die beiden Wellen drehen sich alternierend mit geringerer und höherer Geschwindigkeit. Durch ein Differential oder einen Freilauf kann eine konstante Drehzahl einer mit den beiden Wellen gekuppelten An- oder Abtriebswelle vorgesehen werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Fig.l zeigt einen Querschnitt einer Rotationskolbenmaschine mit zwei Wellen, wobei ein Rotationskolben, dessen Querschnitt ein Oval dritter Ordnung bildet, in einer Kammer geführt ist, deren Querschnitt ein Oval zweiter Ordnung ist.
Fig.2 ist eine Darstellung ähnlich Fig.2 und zeigt den Rotationskolben in einer
Anschlagstellung.
Fig.3 ist eine Darstellung ähnlich Fig.2 und zeigt den Rotationskolben während des nächsten Bewegungsabschnitts.
Fig.4 zeigt einen Querschnitt einer Rotationskolbenmaschine mit zwei Wellen, wobei ein Rotationskolben, dessen Querschnitt ein Oval fünfter Ordnung bildet, in einer Kammer geführt ist, deren Querschnitt ein Oval vierter Ordnung ist.
Fig.4A zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig.4.
Fig.5 zeigt einen Querschnitt einer Rotationskolbenmaschine mit zwei Wellen, wobei ein Rotationskolben, dessen Querschnitt ein Oval siebter Ordnung bildet, in einer Kammer geführt ist, deren Querschnitt ein Oval sechster
Ordnung ist.
Fig.6 ist eine schematische Darstellung der drehzahlregulierenden Mittel.
Fig.7A ist eine schematische, vergrößerte Darstellung der Dichtung bei einer
Rotationskolbenmaschine der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Art, wobei die Abdichtung zwischen einer Dichtleiste und einem Umfangsabschnitt des Rotationskolbens mit kleinerem Krümmungsradius erfolgt.
Fig.7B ist eine schematische, vergrößerte Darstellung der Dichtung bei einer Rotationskolbenmaschine der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Art, wobei die Abdichtung zwischen einer Dichtleiste und einem
Umfangsabschnitt des Rotationskolbens mit größerem Krümmungsradius erfolgt.
Fig.8 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Einzelheit der Rotationskolbenmaschine von Fig.4A.
Fig.8 A zeigt die Einzelheit von Fig.8 in weiter vergrößertem Maßstab .
In Fig.l ist mit 10 ein Gehäuse bezeichnet. In dem Gehäuse 10 ist eine Kammer 12 gebildet. Der Querschnitt der Kammer 12 bildet ein Oval zweiter Ordnung oder ist "bioval". Der Querschnitt der Kammer 12 ist demnach von zwei Kreisbögen 14 und 16 von relativ kleinem Krümmungsradius und alternierend dazwischen zwei Kreisbögen 18 und 20 von relativ großem Krümmungsradius gebildet. Die Kreisbögen schließen sich stetig und differenzierbar aneinander an.
In der Kammer 12 ist ein Rotationskolben 22 geführt. Der Querschnitt des Rotationskolbens 22 bildet ein Oval dritter Ordnung oder ist tri-oval. Demnach besteht der Umfang des Querschnitts aus drei Paaren von jeweils einem Kreisbogen von relativ Meinem Krümmungsradius 24, 26 bzw. 28 und einem Kreisbogen von relativ großem
Krümmungsradius 30, 32 bzw. 34 gebildet. Die Kreisbögen von kleinem und großem Krümmungsradius schließen sich alternierend und ebenfalls stetig und differenzierbar aneinander an. Die kleinen Krümmungsradien des Rotationskolbens 22 sind gleich den ldeinen Krümmungsradien der Kammer 12, und ebenso sind die großen Krärnmungsradien des Rotationskolbens 22 gleich den großen Krümmungsradien der
Kammer 12. Der Querschnitt der Kammer 12 ähnelt einer Ellipse, obwohl er gerade keine Ellipse ist. Der Querschnitt des Rotationskolbens 22 ähnelt einem Bogendreieck mit abgerundeten Ecken. Der Rotationskolben 22 weist einen zentralen Durchbruch 36 auf. Der Querschnitt des Durchbruchs 36 bildet ebenfalls ein Oval dritter Ordnung. Dieses Oval dritter Ordnung ist von drei Kreisbögen von relativ kleinem Krümmungsradius 38, 40 und 42 und von drei Kreisbögen 44, 46 und 48 von relativ großem Krümmungsradius gebildet. Die
Kreisbögen 38, 40 und 42 mit kleinem Krümmungsradius und die Kreisbögen 44, 46 und 48 von großem Krümmungsradius schließen sich alternierend und stetig und differenzierbar aneinander an, so daß ein Oval ähnlich einem Bogendreieck mit abgerundeten Enden gebildet wird. Die Symmetrieebenen 50, 52 und 54 des Durchbruchs 36 fallen mit den Symmetrieebenen des Rotationskolbens 22 zusammen.
Der Durchbrach 36 weist eine Innenverzahnung 56 auf. Diese lhnenverzahnung 56 weist drei konkav-bogenförmige Zahnleisten 58, 60 und 62 im wesentlichen entlang der Kreisbögen 44, 46 bzw.48 von großem Krümmungsradius auf. Zwischen diesen konkav- bogenförmigen Zahnleisten 58, 60 und 62 sind im Bereich der Kreisbögen von kleinem
Krümmungsradius konvex-bogenförmige (oder ggf. gerade) Zahnleisten 64, 66 und 68 vorgesehen.
Durch den Durchbruch 36 erstrecken sich zwei parallele Wellen 70 und 72 mit Zahnrädern 74 bzw. 76. Die Achsen der Wellen 70 und 72 liegen in der durch die
Kreisbögen 18 und 20 verlaufende Symmetrieebene 77 der Kammer 12. Das Zahnrad der einen Welle, in Fig.l das Zahnrad 74 der Welle 70, sitzt in der "Ecke des Bogendreiecks", d.h. in dem Bereich des Kreisbogens 38 von kleinem Krümmungsradius und ist mit der Innenverzahnung 56 in noch zu beschreibender Weise in Eingriff. Das Zahnrad der anderen Welle, in Fig.l das Zahnrad 76 der Welle 72, ist mit der gegenüberliegenden konkav-bogenförmigen Zahnleiste, in Fig.l der Zahnleiste 60, in Eingriff.
Der Rotationskolben 22 unterteilt die bi-ovale Kammer 12 in zwei Arbeitsräume 80 und 82. In Fig.l ist die Rotationskolbenmaschine schematisch als
Verbrer ungskraftmaschine mit innerer Verbrennung dargestellt. Dementsprechend sind für jeden Arbeitsraum 80 und 82 ein Einlaßventil 84 bzw. 86 und ein Auslaßventil 88 bzw. 90 dargestellt. Weiterhin schließt an jeden Arbeitsraum 80 bzw. 82 eine Brermkarnmer 92 bzw. 94 mit einer Zündkerze oder einer Einspritzdüse 96 bzw. 98 an. Die Arbeitsräume 80 und 82 mit den Ventilen und Zündkerzen oder Einspritzdüsen liegen symmetrisch zu der durch die Kreisbögen 14 und 14 des Querschnitts mit kleinem Krümmungsradius verlaufenden Sy metrieebene. Das ist nur eine schematische Darstellung.
In den Bereichen 18 und 20 der großen Krümmungsradien sind an dem Gehäuse Paare von aneinander angrenzenden Dichtleisten 100A, und 100B bzw. 102A und 102B vorgesehen. Die Dichtleisten 100A und 100B bzw. 102A und 102B sind dabei symmetrisch zu der durch die Kreisbögen 18 und 20 des Querschnitts mit großem
Krümmungsradius verlaufenden Symmetrieebene.
Fig.7A zeigt die Dichtleisten 100A und 100B bei einer Stellung im Bereich des Übergangs von dem kleineren Krümmungsradius rj der Außenfläche des Rotationskolbens 22 rechts in Fig.7A zu dem Bereich des größeren Krümmungsradius r2 dieser Außenfläche links in Fig.7A. Die Dichtleiste 100A weist eine konkav-zylindrische Innenfläche auf, deren Krümmungsradius dem größeren Krümmungsradius r2 entspricht. Die Dichtleiste 100B weist eine konkav-zylindrische Innenfläche auf, deren Krümmungsradius dem kleineren Krümmungsradius rx entspricht. Man erkennt, daß die Innenfläche der Dichtleiste 100A sich im Bereich des Krümmungsradius r2 des
Rotationskolbens 22 dicht an die dazu komplementäre Oberfläche des Rotationskolbens 22 anlegt. In dem Bereich, in welchem der Krümmungsradius der Oberfläche des Rotationskolbens 22 kleiner ist, nämlich rt beträgt, bildet sich zwischen der Dichtleiste 100A und dem Rotationskolben 22 und der Innenfläche der Dichtleiste 100A ein keilförmiger Spalt 100C. Die Dichtleiste 100B weist eine konkav-zylindrische
Innenfläche auf, deren Krümmungsradius dem kleineren KLrürnmungsradius rt entspricht. Man erkennt, daß die Innenfläche der Dichtleiste 100B sich im Bereich des Krümmungsradius τt des Rotationskolbens 22 dicht an die dazu komplementäre Oberfläche des Rotationskolbens 22 anlegt. In dem Bereich, in welchem der Krümmungsradius der Oberfläche des Rotationskolbens 22 größer ist, nämlich wieder r2 beträgt, bildet sich rechts in Fig.7A zwischen der Dichtleiste 100B und dem Rotationskolben 22 und der Innenfläche der Dichtleiste 100A ein keilförmiger Spalt 100D. In dem dargestellten Übergangsbereich sind beide Dichtleisten jeweils auf einem Teil der Innenfläche in flächiger Anlage an der Außenfläche des Rotationskolbens, so daß eine Flächendichtung gewährleistet ist.
Fig.7B zeigt in ähnlicher Weise die Abdichtung im Bereich des Überganges von dem großen Krümmungsradius r2 zum kleineren Krümmungsradius r,. Wenn das Paar von Dichtleisten 100A und 10B nur an einem Bereich des Rotationskolbens 22 mit großem Krümmungsradius r2 oder nur an einem Bereich mit kleinem Krümmungsradius anliegt, gewährleistet entweder die Dichtleiste 100A oder die Dichtleiste 100B mit jeweils der gesamten Innenfläche eine flächige Anlage und Abdichtung.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:
Der Rotationskolben 22 dreht sich entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig.l. Dabei dreht sich der Rotationskolben 22 um die Welle 70 und gleitet mit geringer Geschwindigkeit an der Innenwand der Kammer 12 im Bereich des großen Krümmungsradius. Die Achse der
Welle 70 geht durch den Krümmungsmittelpunkt des Kreisbogens 24 von kleinem Krümmungsradius. Der Kreisbogen 24 tangiert den Kreisbogen 18 des Querschnitts der Kammer 12. Der gegenüberliegende, dem Kreisbogen 32 entsprechende Bereich der Mantelfläche des Rotationskolbens 22 mit dem großen Krümmungsradius liegt an dem dem Kreisbogen 20 entsprechenden Bereich der Innenwandung der Kammer 12 an.
Dieser Bereich der Innenwandung hat den gleichen Krümmungsradius wie der anliegende Bereich der Mantelfläche des Rotationskolbens. Es erfolgt also eine formangepaßte, flächige Anlage. Bei der Drehbewegung gleitet dieser Bereich der Mantelfläche des Rotationskolbens an dem entsprechenden Bereich der Innenwandung.
Dabei vergrößert sich der Arbeitsraum 80, während sich der Arbeitsraum 82 verkleinert. Die Welle 70 wird dabei relativ langsam gedreht, während sich eine relativ schnelle Drehung der Welle 72 ergibt.
Diese Bewegung wird fortgesetzt, bis die in Fig.2 rechte Anschlagstellung erreicht wird.
Dann liegt der dem Kreisbogen 28 entsprechende Bereich der Mantelfläche des Rotationskolbens in dem Bereich der Innenwandung der Kammer 12, der dem Kreisbogen 16 entspricht. Beide Bereiche haben den gleichen, nämlich den kleinen Krümmungsradius. Die den Kreisbögen 32 und 34 mit dem großen Krümmungsradius entsprechenden Bereiche der Mantelfläche des Rotationskolbens liegen an den Bereichen der Innenwandung der Kammer 12 an, die den Kreisbögen 18 bzw. 20 des Querschnitts entsprechen. Die Krümmungsradien sind wieder gleich. Das Volumen der Arbeitskammer 82 ist damit abgesehen von der Breririkammer 94 auf null vermindert, während die Arbeiskammer 82 ihr maximales Volumen hat. Die Welle 72 mit dem Zahnrad 76 liegt dann in dem Durchbruch 36 in dem Bereich, der dem Kreisbogen 40 entspricht, also gewissermaßen in der linken unteren "Ecke" des Bogendreiecks. Der Rotationskolben 22 kann sich jetzt nicht weiter um die Achse der Welle 70 als momentane Drehachse drehen.
Diese Position ist in Fig.2 dargestellt.
Bei einer weiteren Drehung, die z.B. durch Zünden von Treibstoff in der Brennkammer 94 bei einer Verbrennungskraftmaschine oder durch Einleiten eines Arbeitsmediums in die Arbeitskammer 82 bewirkt wird, springt die momentane Drehachse in die Achse der Welle 72. Der Rotationskolben dreht sich weiter entgegen dem Uhrzeigersinn, jetzt aber um die Welle 72.
Der weitere Bewegungsablauf ist dann bezogen auf die neue momentane Drehachse so, wie es vorstehend unter Bezugnahme auf die Achse der Welle 70 als momentane Drehachse beschrieben wurde.
Bei der Drehbewegung des Rotationskolbens 22 treten aufeinanderfolgende Bewegungsabschnitte auf. Jeder Bewegungsabschnitt verläuft von einer der beschriebenen Anschlagstellungen -bis zur nächsten. In jedem Bewegungsabschnitt vergrößert sich ein Arbeitsraum, z.B. 80, von null bis zu einem Maximum, während sich der andere Arbeitsraum von dem Maximum bis auf null verkleinert. Im nächsten Bewegungsabschnitt ist es umgekehrt: Der Arbeitsraum 82 vergrößert sich von null (Fig.2) bis zu einem Maximum, während der Arbeitsraum 80 sich wieder verkleinert
(Fig.3). In der Position von Fig.2 ist die Kinematik nicht eindeutig. Jede der beiden Wellen könnte mit ihrer Achse eine momentane Drehachse festlegen. Wenn dann z.B. durch ein in den Arbeitsraum 82 eingeleitetes Arbeitsmedium eine Kraft nach links auf den Rotationskolben 22 ausgeübt wird, könnte diese Kraft u.U statt zu einer Drehung des Rotationskolbens 22 um eine momentane Drehachse zu einer translatorischen Bewegung in horizontaler Richtung in Fig.2 führen. Dadurch würde der Rotationskolben 22 in der Kammer 12 verkeilt.
Wenn diese Gefahr besteht, kann ihr dadurch begegnet werden, daß in der Position von Fig.2 durch drehzahlregulierende Mittel kurzzeitig eine geringere Drehzahl der Welle 72 erzwungen wird als die Drehzahl der Welle 70. Dann wird der Rotationskolben 22 gezwungen, sich um diese Welle 72 zu drehen, während die andere Welle 70 ein Abwälzen der konkav-bogenförmigen Zahnleiste 62 an dem Zahnrad 74 gestattet.
Das ist in Fig.6 schematisch dargestellt. Sensoren 140 erfassen die Position des
Rotationskolbens in 22 in der Kammer 12. Die Sensoren signalisieren, wenn der Rotationskolben eine Anschlagposition erreicht hat. Eine von den Signalen der Sensoren beaufschlagte Steuerung 142steuert dann Einrichtungen 144 und 146 an, durch welche alternierend, je nachdem welche Anschlagposition erreicht wurde, kurzzeitig Drehzahlen der Welle 70 bzw. der Welle 72 vorgegeben werden. Er wird dann z.B. der Welle 70 eine geringe Drehzahl vorgegeben und der Welle 72 eine höhere oder umgekehrt. Im einfachsten Fall können die Einrichtungen 144 und 146 Bremsvorrichtung sein, die in den Anschlagpositionen alternierend kurzzeitig auf die Welle 70 oder die Welle 72 wirken, während die jeweils andere Welle ungebremst bleibt.
Die Radien der Teilkreise der Zahnräder entsprechen im wesentlichen den kleinen Krümmungsradien des den Durchbruch 36 bildenden Ovals zweiter Ordnung. Wenn die Innenverzahnung 56 durchgehend dem Oval des Durchbruchs 36 folgen würden, dann würden die Zahnräder jeweils in den Endstellungen des Rotationskolbens 22 gefangen. Die "Ecken" des "Bogendreiecks" könnten nicht über die Zahnräder hinwegrollen. Aus diesem Grunde sind die konkav-bogenförmigen Zahnleisten im Bereich der Kreisbögen 38, 40, 42 mit kleinem Durchmesser durch kurze gerade oder konvex-bogenförmige Zahnleisten 64, 66 bzw. 68 verbunden. Die konvex-bogenförmigen Zahnleisten 64, 66 und 68 ermöglichen ein Weiterrollen der hinenverzahnung 56 und damit des Rotationskolbens 22 über diese Bereiche. Sie sind so bemessen, daß in den Anschlagstellungen jeweils eine der konkav-bogenförmigen Zahnleisten 58, 60 oder 62 mit dem Zahnrad 74 oder 76 in Eingriff kommt unmittelbar nachdem der Eingriff des Zahnrades 74 oder 76 mit der vorangegangene Zahnleiste 62, 58 bzw. 60 gelöst wurde. Auf diese Weise ist jedes Zahnrad ständig mit einem der konkav-bogenförmigen Zahnleisten 64, 66 oder 68 in Eingriff. Die kurzen konvex-bogenförmigen oder geraden Zahnleisten gewährleisten einen Übergang ohne Unterbrechung des Formschlusses aber auch ohne Blockierung.
Fig.4 zeigt eine Rotationskolbenmaschine mit einer Kammer 104, deren Querschnitt ein Oval 106 vierter Ordnung bildet. In der Kammer 104 ist ein Rotationskolben 108 geführt, dessen Querschnitt ein Oval fünfter Ordnung 110 bildet. Auch hier weist der Rotationskolben 108 einen Durchbruch 112 dessen Form ein Oval fünfter Ordnung 114 bildet. Die Symmetrieachsen von Rotationskolben 108 und Durchbruch 112 fallen zusammen. Der Durchbruch 112 weist eine Innenverzahnung 116 auf. Die Innenverzahnung 116 ist mit zwei Zahnrädern 118 und 120 in Eingriff. Die Zahnräder 118 und 120 sitzen auf zwei gehäusefesten Wellen 122 bzw. 124. Die Achsen 126 und 128 der Wellen 122 bzw. 124 liegen in einer Symmetrieebene der Kammer 104.
Der Rotationskolben 108 unterteilt die Kammer in zwei Arbeitsräume 130 und 132, von denen bei der Drehung des Rotationskolbens jeweils einer sich vergrößert und der andere verkleinert.
Der Arbeitsablauf ist ähnlich dem Arbeitsablauf der Ausführung von Fig.l bis 3. Der
Rotationskolben 108 dreht sich z.B. um die Achse 126 einer Welle 122 bis zu einer Anschlagposition. Dann springt die momentane Drehachse in die Achse 128 der anderen Welle 124. Der Rotationskolben dreht sich um diese Achse weiter entgegen dem Uhrzeigersinn von Fig.4 bis zu der nächsten Anschlagposition. Der Bewegungsablauf zwischen zwei aufeinanderfolgenden Anschlagpositionen ist ein "Bewegungsabschnitt".
In jedem Bewegungsabschnitt vergrößert sich der Arbeitsraum 130 von null bis zu einem Maximum und verkleinert sich der Arbeitsraum 132 von einem Maximum auf null oder umgekehrt. Die Arbeitsräume liegen stets zu beiden Seiten der die Achsen 126 und 128 der Wellen 122 und 124 enthaltenden Symmetrieebene. Sie wandern nicht etwa um die Kammer herum.
In Fig.4 sind für jeden Arbeitsraum (schematisch) Ventile und Zündkerzen oder Einspritzdüsen dargestellt.
Fig.4A zeigt eine Rotationskolbenmaschine ähnlich der von Fig.4. Entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie dort. Einzelheiten der Rotationskolbenmaschine von Fig.4A sind in vergrößertem Maßstab in Fig.8 und 8A dargestellt.
Bei der Rotationskolbenmaschine von Fig.4A ist mit 150 eine Einspritzdüse bezeichnet. Die Einspritzdüse 150 ragt in eine Brennkammer 152. Diese Brermkammer ist so bemessen und ausgebildet, daß die Verbrennung des eingespritzten Treibstoffs im wesentlichen nur in der Brennkammer erfolgt. In den sich erweiternden Arbeitsraum treten dann nur die expandierenden Verbrennungsgase ein. Dabei kann die Einspritzung zeitabhängig oder in Abhängigkeit von der Rotation des Rotationskolbens so dosiert sein, daß sie an die Volumenänderung des Arbeitsraumes 130 oder 132 angepaßt ist. In dem Arbeitsraum tritt dann keine Flammenfront auf. Die Ausbreitung von Flammenfronten in einem sich ausdehnenden Arbeitsraum bringt bei bekannten Rotationskolbenmaschinen Probleme mit sich.
Bei der Ausführung von Fig.8 und 8A weist die Brennkammer 152 eine kugelkalottenf 'rmigen Ausnehmung des Gehäuses auf, an welche sich ein kegelstumpffδrmiger, sich zu dem Arbeitsraum hin verjüngender Raum 156 anschließt. Der Raum 156 ist in einem Einsatz 158 gebildet, der in eine mit Gewinde versehene
Ausnehmung der Wandung des Arbeitsraumes 130 oder 132 eingeschraubt ist. Die Brennkammer 152 ist durch ein Gitter oder Netz 160 abgeschlossen. Die Einspritzdüse 150 läuft in einen an der Spitze abgerundeten Kegel aus, wobei die Einspritzung über Düsenöffhungen im Mantel dieses Kegels erfolgt.
Die beschriebene Anordnung der Einspritzdüse in einer Brennkammer, derart daß die Verbrennung im wesentlichen nur in der Brermkammer erfolgt und Flammenf onten in den Arbeitsräumen vermieden werden, ist auch bei anderen Maschinen, z.B. bei Hubkolbenmaschinen, anwendbar.
Fig.5 zeigt eine Rotationskolbenmaschine, bei welcher ein Rotationskolben, dessen Querschnitt ein Oval siebter Ordnung bildet, in einer Kammer geführt ist, deren
Querschnitt ein Oval sechster Ordnung ist. Aufbau und Funktion sind abgesehen von den Ordnungen der Ovale ähnlich wie die der Ausführung von Fig.4. Entsprechende Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig.4 jedoch mit dem Zusatz "A".

Claims

Patentansprüche
Rotationskolbenmaschine, mit einer in einem Gehäuse (10) gebildeten prismatischen Kammer (12), deren Querschnitt ein Oval aus Kreisbögen (14,16; 18,20) von abwechselnd kleinerem und größerem Radius bildet, und einem in der Kammer (12) beweglichen Rotationskolben (22), dessen Querschnitt ebenfalls ein Oval mit den gleichen abwechselnd kleinerem und größeren Radien bildet, dessen Ordnung von der Ordnung des den Querschnitt der Kammer (22) bildenden Ovals abweicht, wobei der Rotationskolben (22) sich abwechselnd in aufeinanderfolgenden Bewegungsäbschnitten um unterschiedliche Drehachsen jeweils von einer Anschlagstellung zur nächsten dreht und bei seiner Drehbewegung in jeder Position an der Innenwandung der Kammer (12) unter Bildung von zwei Arbeitsräumen (80,82) anliegt, und mit einem mit einer
Innenverzahnung (56) versehenen Durchbruch (36) des Rotationskolbens (22), dessen Innenverzahnung (56) mit einer Verzahnungsanordnung (74,76) für den Anoder Abtrieb der Drehbewegung in Eingriff ist, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) die Ordnung des Ovals der Kammer (12) um eins geringer ist als die Ordnung des Ovals des Rotationskolbens (22),
(b) der Durchbruch (36) dem Rotationskolben (22) im wesentlichen mathematisch ähnlich ist, wobei die Symmetrieebenen (50,52,54) des Durchbruchs (36) mit denen des Rotationskolbens (22) zusammenfallen, und
(c) die Verzahnungsanordnung (56) ein Paar mit Außenverzahnung (74,76) versehene, gehäusefest gelagerte Wellen (70,72) aufweist, deren Außenverzahnungen (74,76) mit der Innenverzähnung (56) des Durchbruchs (36) in Eingriff sind, wobei in jedem Bewegungsabschnitt jeweils die eine
Welle (z.B. 70) im Bereich eines Abschnitts (38) des Durchbruchs (36) mit kleinerem Krümmungsradius und die andere Welle (72) im Bereich eines Abschnitts (46) mit größerem Krümmungsradius angeordnet ist und die Wellen (72,74) in aufeinanderfolgenden Bewegungsabschnitten ihre Rollen vertauschen..
2. Rotationskolbenmaschine nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet daß drehzahlregulierende Mittel (142,144,146) vorgesehen sind, mittels deren bei
Erreichen einer Anschlagstellung für diejenige Welle (70 oder 72), deren Außenverzahnungr (74 bzw. 76) im vorangegangenen Bewegungsabschnitt an der Innenverzähnung (56) des Durchbruchs (36) im Bereich eines größeren Krümmungsradius abrollte, eine geringere Drehzahl erzwingbar ist als für die andere Welle (72 bzw. 70) um deren Achse sich der Rotationskolben (22) im vorangegangenen Bewegungsabschnitt drehte.
3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die drehzahlregulierende Mittel bei Erreichen einer Anschlagstellung jeweils diejenige Welle (70 oder 72), deren Außenverzahnungr (74 bzw. 76) im vorangegangenen Bewegungsabschnitt an der Innenverzahnung (56) im Bereich eines größeren Krümmungsradius abrollte, vorübergehend abbremsbar ist.
4. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwandung der Kammer zur Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen Paare von nebeneinander angeordneten Dichtleisten mit konkav-zylindrischen Innenflächen vorgesehen sind, wobei der Krümmungsradius der einen Innenfläche gleich dem kleineren Krümmungsradius (η) und der Krümmungsradius der anderen Dichtfläche gleich dem größeren Krümmungsradius (r2) der Mantelfläche des Rotationskolbens (22) entspricht.
5. Rotationskolbenmaschine nach Ansprach 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Dichtflächen diametral gegenüberliegend symmetrisch zu der durch die Achsen der Wellen (70,72) gehenden Symmetrieebene des Gehäuses (10) angeordnet sind. Brennfaraftmaschine mit innerer Verbrennung, die mit wenigstens einem durch einen Kolben (22) begrenzten Arbeitsraum (130,132) mit Treibstoffeinspritzung ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzvorrichtung (150) in einer gesonderten Brennkammer (152) angeordnet ist, die sich an den Arbeitsraum (130) anschließt, wobei Brennkammer (152) und Treibstoffeinspritzung so abgestimmt sind, daß die Verbrennung im wesentlichen nur in der Brennkammer (152) erfolgt, so daß in den Arbeitsraum (130,132) nur verbranntes, expandierendes Abgas eintritt.
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