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Drehkolbenbrennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenbrennkraftmaschine, bei der zwischen der Kolben- aussenmantelfläche und der kreisförmigen Zylinderinnenmantelfläche durch radial bewegliche federbela- stete Schieber untereinander getrennte Zylinderräume gebildet und mehrere mit letzteren periodisch ver - bundene Verdichtl, ngskammern vorgesehen sind, wooei ein hohler, eine teils exzentrische, teils zentri- scheaussenmantelfläche aufweisender umlaufender Drehkolben im zentrischen Teil mit einer Öffnung und einer von dieser Öffnung radial einwärts verlaufenden Prallschaufel zur Aufnahme der Bewegungsenergie des durch die Öffnung von den Verdichtungskammern eintretenden Verbrennungsstrahles ausgestattet ist.
Bei einer einen solchen Aufbau aufweisenden bekannten Drehkolbenbrennkraf maschine erfolg die
Zuführung des Frischgasgemisches aus ortsfesten Gehäuseöffnungen, wodurch aber der Abschluss der Man- telöffnung des Drehkolbens durch eine an der Zylinderinnenmantelfläche federnd anliegende Klappe be- dingt ist. Beim Aufdrücken dieser Klappe durch den expandierenden Verbrennungsstrahl entsteht nicht nur an der einwärts verlaufenden Prallfläche, sondern auch an der Klappenaussenfläche Überdruck aus der Be- wegungs-und Druckenergie des Verbrennungsstrahles. Die sich dabei an der kreisbogenförmig gekrümmten Klappe ergebende Druckresultierende verläuft bei geschlossener Klappe radial durch die Drehachse, bei geöffneter Klappe jedoch exzentrisch unter Bildung eines Gegendrehmomentes.
Durch einen auf diese Weise allenfalls eintretenden Drehmomentenausgleich sowie durch den beim periodischen Aufdrücken der Klappe verursachten Energieverlust erscheint die praktische Betriebsfähigkeit einer solchen Maschine in Frage gestellt. Nicht zuletzt verursacht die ortsfeste Anordnung der Gaseintrittsöffnungen und die verwendung einer Klappe eine Beschränkung der Zahl der am Zylinder anordbaren Zündstelle.
Die wesentlichen Merkmale der erfindungsgemässen Drehkolbenbrennkraftmaschine erstrecken sich darauf, dass bei einer völlig frei belassenen Öffnung des Drehkolbenmantels die Austrittsöffnung für das in an sich bekannter Weise durch den Drehkolben zugeführte Frischgas in der exzentrischen Mantelfläche entgegen der Drehrichtung unmittelbar anschliessend an die zentrische Mantelfläche angeordnet ist und in dieser Lage jeweils am Beginn des Explosionstaktes einer Verdichtungskammer mit dem nächstfolgenden Zylinderraum in Verbindung steht und die Verdichtungskammern für einen in Drehrichtung in an sich bekannter Weise schräg erfolgenden Austritt des Verbrennungsstrahles in einer den Kolbenmantel annähernd tangierenden Austrittsrichtung ausgestaltet sind.
Die in der Erfindung gewählte Anordnung der Austrittsöffnung für das Frischgas am Drehkolben ermöglicht die Unterbringung einer grösseren Zahl von Zündstellen bzw. Verdichtungskammern an der Innenmantelfläche des Zylinders ohne wesentliche Vergrösserung der Abmessungen der Maschine. Der aus den Verdichtungskammern in einer den Kolbenmantel annähernd tangierenden Richtung austretende Verbrennungsstrahl trifft etwa senkrecht auf die Prallschaufel auf, wodurch ein hoher Prozentsatz seiner Bewegungs-und Druckenergie an der Prallschaufel wirksam wird. Durch die Vereinigung aller dieser Vorzüge ergibt sich gegenüber den bekannten Bauarten ein verbesserter Wirkungsgrad der neuen Drehkolbenbrennkraftmaschine.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können in der Mantelöffnung des Drehkolbens mehrere radiale kürzere Folgeschaufeln der Hauptprallfläche nachgeordnet sein, an welchen der Verbrennungsstrahl
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gleichfalls Bewegungsenergie wirksam werden lässt. Entsprechend weiteren Erfindungsmerkmalen ist in jeder verdichtungskammer sowohl ein einen federnd abgestützten Boden ergebender Kolben als auch ein zylindrischer Mantelschieber radial beweglich koaxial gelagert, wobei der Mantelschieber mit einer streifenförmigen, als Gasabfänger wirkenden Verlängerung des Mantels durch Federdruck ständig am
Mantel des Drehkolbens anliegt.
In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Drehkolbenbrennkraft- maschine mit den erforderlichen Einzelheiten dargestellt, ohne dass die Erfindung auf diese Beispiele be- schränkt sein soll.
Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt senkrecht zur Hauptwelle einer ersten Ausführungsform der Maschine ;
Fig. 2 einen Schnitt durch die Hauptwelle der Maschine ; Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teiles der Ma- schine senkrecht zur Hauptwelle, sowie einen Schnitt nach der Linie Ill-Ill der Fig. l ; Fig. 4 einen
Schnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2 ; Fig. 5 eine Ansicht, teilweise im Schnitt, des Drehkolbens senkrecht zu seiner Hauptwelle ; Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie VI-VI der Fig. 8, also senkrecht zur
Hauptwelle einer zweiten Ausführungsform der Maschine ; Fig. 6a einen entsprechenden Schnitt durch eine Verdichtungskammer einer andern Ausführungsform ;
Fig. 7 einen Schnitt nach der Linie VII-VII der
Fig. 6 ; Fig. 8 einen Schnitt nach der Linie VIII-VIII der Fig. 6 ; Fig. 9 einen Schnitt durch einen Teil der Maschine nach Fig. 6, jedoch nunmehr nach der Linie IX-IX der Fig. 8 ; Fig. 10 einen Schnitt durch eine Verdichtungskammer mit zugehörigem Schieber nach wieder einer andern Ausführungsform ; Fig. 10a einen Schnitt nach der Linie Xa-Xa der Fig. 10 ; Fig. 11 einen Schnitt entsprechend Fig. 10 durch eine
Verdichtungskammer mit zugehörigem Schieber nach einer weiteren Ausführungsform, wobei die zylindrische Schieberführung auf der einen Seite in luftgekühlter und auf der andern Seite in flüssigkeitsge- kühler Ausführungsform wiedergegeben ist ;
Fig. 11a einen Schnitt nach der Linie XIa-XIa der Fig. 11 und Fig. 12 einen Schnitt entsprechend Fig. 8 durch einen Teil der Maschine. wobei die linke und die rechte Hälfte der Figur die luft-bzw. flüssigkeitsgeklihlte Ausführungsform zeigen.
Die Brennkraftmaschine hat ein dosenförmiges Zylindergehäuse 1 von kreisförmigem Umfang, welches durch zwei flache Deckel 2,3 abgeschlossen ist. Gleichmässig über den Umfang verteilt, weist das
Gehäuse 1 vier radiale zylindrische Stutzen 4-auf, wobei in jedem Stutzen ein eine verdichtungskammer bildender Mantelschieber 5 verschiebbar gelagert ist. jeder Mantelschieber besitzt über Dreiviertel seines Umfanges einen radial einwärtsgerichteten Gasabfänger 7 mit seitlichen Führungsteilen 7'und 7", der an seinem freien Ende eine Stahlwalze 8 trägt, deren Achse in den Führungsteilen 7'und 7" gelagert ist. Diese Walze rollt am Aussenmantel des auf der Hauptwelle 6 sitzenden dosenförmigen Drehkolbens 9 ab, der teilweise eine zur Welle 6 zentrische Aussenmantelfläche 10, teilweise eine exzentrische Aussenmantelfläche 11 hat.
Druckfedern 12 halten die Mantelschieber 5 und den Drehkolben 9 in dauernder Berührung. Die Führungsteile 7'und 7" des Gasabfängers 7 umfassen gleichsam den Drehkolben und dichten diesen seitlich ab. Durch ein Gegengewicht 12'ist der Drehkolben ausgewuchtet.
Innerhalb jedes Mantelschiebers liegt ein Verdichtungskammerkolben 13, der in bezug auf den Schieber längsbeweglich ist. Seinen Anschlag findet er an dem Flansch 14 einer Büchse 15 mit offenem nach auswärts sich erweiterndem Ende 16. Die Büchse 15 ist durch Bolzen 17 an Flanschen 18 der Stutzen 4 befestigt. Eine an einem Absatz 19 anliegende Druckfeder 20 ist bestrebt, den Kolben 13 radial einwärts zu verschieben.
Die Führungsteile 7', 7"sind in ausgefrästen Radialnuten 21 der Zylinderdeckel 2, 3 radial verschiebbar geführt.
Der Drehkolben 9 besteht aus einer flachen Dose, deren exzentrische Aussenmantelfläche 11 ganz geschlossen, deren konzentrische Aussenmantelfläche 10 jedoch grösstenteils offen ist, so dass der Mantel eine Öffnung in Breite des Abstandes zwischen den Kolbenseitenwänden 22,23 aufweist. Im Drehsinne gemäss Pfeil 24 betrachtet, befindet sich nahe dem Anfang der konzentrischen Aussenmantelfläche eine Prallschaufel 25 mit der Hauptprallfläche, die sich vom Mantel bis zur Hauptwelle 6 erstreckt. Diese Schaufel besteht aus einem Rohr, aus dessen Mantel an der Hinterseite ein gerader Längsstreifen herausgeschnittenist. Der Verbrennungsstrahl wird, wie nachfolgend beschrieben, im Drehsinne an die offene Seite dieses Rohres geführt und bewirkt durch seine Druck- und Bewegungsenergie die Rotation des Drehkolbens.
Hinter der Hauptprallschaufel 25 folgen in der Mantelöffnung mehrere kürzere Schaufeln 26, die die restliche Druck- und Bewegungsenergie aus dem Verbrennungsstrahl entnehmen.
Die Kolbenwand 22 hat an ihrer Aussenseite eine radial verlaufende flache, breite Aussparung 27, die als Einlasskanal für das Frischgas dient (s. Fig. 1, 2 und 5). Diese Aussparung steht mit der Einlass- öffnung des Gehäuses 28 ständig in Verbindung, das zwei Stutzen 29 trägt (Fig. 4), an welche Krüm-
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me ; : 30 angeschlossen wird, die mit (nicht eingezeichneten) Vergasern in Verbindung stehen, wenn die
Maschine'mit Gemisch arbeitet ; bei Brennstoffeinspritzung bilden die Krümmer 30 den Lufteinlass und können (gleichfalls nicht eingezeichnete) Luftfilter tragen.
Das Gehäuse 28 trägt ferner die Lager 31, 32 für die sich auf einer Seite des Drehkolbens erstrecken- de Hauptwelle 6, von welcher über Kegelräder 33, 34 der Antrieb für die (nicht eingezeichnete) Zündvorrichtung oder die Kraftstoffpumpe abgeleitet ist.
Die Hauptwelle 6 endet auf der andern Kolbenseite in einem Flansch 36, der mit Durchlassöffnun- gen 37, 38 für die Abgase versehen ist, die nach Einwirkung auf die Schaufeln 25,26 durch sich mit die- sen Öffnungen 37,38 deckende Löcher der Kolbenseitenwand 23 durch das Auslassrohr 39 abströmen. Mit- tels des Flansches 36 ist der Drehkolben 9 auf der Hauptwelle 6 befestigt, wobei ein Abdichtungsring 40 zwischen beiden Teilen angeordnet ist, um eine Vermischung von Frischgas bzw. Luft, welche die Wel- le 6 umströmt, mit den Verbrennungsgasen zu vermeiden. Weiter ist der Kolben 9 durch Stege 40'auf der Welle 6 zentriert. Am freien Ende der Welle 6 ist das Gehäuse durch einen Abdichtungsring 40"ge- schlossen.
Der Zylinder und die Stutzen 4 tragen Kühlrippen 41 bzw. 42 (Fig. 3). Auf den den Gasabfängern 7 der Mantelschieber gegenüberliegenden Seiten der. Stutzen sind schräge Ablenkflächen 43 ausgebildet, welche den aus der Verdichtungskammer kommenden Verbrennungsstrahl in eine zum Kolbenmantel an- nähernd tangentiale Richtung umlenken. Der Kolben weist am zentrischen Mantelteil 10 Sägeschnitte 44 auf, die eine gleichmässige Dehnung bei der Erhitzung ermöglichen.
Die Drehkolbenmaschine arbeitet wie folgt : Nach Anlassen der Maschine durch einen nicht einge- zeichneten Starter dreht sich der Kolben 9 in Richtung des Pfeiles 24. Dabei erzeugt der zurückweichende Teil 11 des Kolbenmantels im Raum a einen Unterdruck, wobei durch die sich mitdrehende Aussparung 27 Gemisch bzw. Luft angesaugt wird.
In der Lage nach Fig. 1 wird der Raum a durch die Kolbenaussenmantelfläche, die Zylinderinnenmantelfläche und durch den Gasabfänger 7 des Mantelschiebers der Verdichtungskammer A und durch den Gasabfänger 7 der Verdichtungskammer B begrenzt.
Nach einer Vierteldrehung befindet sich der Raum a zwischen den Verdichtungskammern C und B und ist dieser mit angesaugtem Gemisch bzw. Luft gefüllt. Der Raum b, der bereits gefüllt war, ist dabei aus der Lage zwischen den Verdichtungskammern D und A in die durch die Verdichtungskammern A und B bestimmte Lage gekommen. Der Raum c, in dem der Teil 11 des Kolbenmantels sich wieder der Zylinderinnenmantelfläche nähert, wirkt als Kompressionsraum, weil während der Rotation durch den Gasabfänger der betreffenden Verdichtungskammer dieser Raum immer kleiner wird. Die verdichteten Gase werden dabei-wenigstens in der Lage nach Fig. 1 - in die verdichtungskammer D getrieben, wobei sich der Verdichtungskammerkolben 13 gegen den Druck der Feder 20 radial nach aussen bewegt.
Ist die Verdichtung beendet und hat sich der Kolben 9 soweit weitergedreht, dass die Hauptprallschaufel 25 die Ablenkfläche 43 passiert, so erfolgt gerade vor dem Augenblick, in dem eine Verbindung zwischen der Verdichtungskammer mit dem Innern des Kolbens entsteht, die Zündung und die Verbrennung. In Fig. 11 steht die Hauptprallschaufel 25 in der Lage vor dem Zündzeitpunkt. Die Zündung kann entweder durch einen Funken bewirkt werden, der zwischen den Elektroden einer (nicht eingezeichneten) in die Öffnung 45 eingeschraubten Zündkerze überspringt, oder mittels eines darin angeordneten (gleichfalls nicht eingezeichneten) Zerstäubers, mit dem Kraftstoff in die verdichtete Luft eingespritzt wird. Die ausströmenden Verbrennungsgase werden über die Ablenkfläche 43 gegen die Hinterseite der Hauptprallschaufel 25 gerichtet und belasten diese im angegebenen Drehsinne.
Bevor der Verdichtungskammerkolben seine innere Lage erreicht hat, haben die restlichen Verbrennungsgase den Folgschaufeln 26 ihre Energie abgegeben. Danach strömen die Gase durch das Innere des Kolbens 9 und die Öffnungen 37,38 dem Auslass 39 zu.
Ist die Maschine einmal im Betrieb, so erfolgt bei jeder Vierteldrehung des Drehkolbens 9 eine Zain- dung, u. zw. in der Verdichtungskammerreihenfolge C-D-A-B. Durch Verstellung der Muttern, mit denen das Auslaufende 16 an den Bolzen 17 befestigt ist, kann das Verdichtungsverhältnis der Maschine leicht abgeändert werden, wobei überdies Verdichtungskammerkolben mit anderer Hublänge angewendet werden.
Wird die Maschine mit einem doppelt-oder vielfachwirkenden Kolben ausgestattet, also mit einem Drehkolben mit zwei oder mehreren gleichmässig über den Umfang verteilten Hauptprallschaufeln und zwei oder mehreren gleichmässig über den Umfang verteilten zentrischen und exzentrischen Kolbenaussen- mantelflächen, so erübrigt sich das Gegengewicht 113.
Seitlich jedes Mantelschiebers liegt in Umfangsrichtung, dem Drehsinn gemäss Pfeil 114 des Dreh-
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