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Drehkolbenmaschine, insbesondere Drehkolbenbrennkraftmaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkolbenmaschine, insbesondere Drehkolbenbrennkraftmaschine, deren mehreckiger Kolben im Zylinder parallel zur Achse der Maschine eine drehende und kreisende Bewegung ausführt und durch ein, ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis aufweisendes Getriebe geführt ist, das aus einem festen innenverzahnten Zahnrad, einem in diesem umlaufenden aussenverzahnten Zahnrad und aus einer Kurbel bzw.
einem Exzenter besteht, und deren volumenveränderliche Arbeitskammern durch die Arbeitsflächen des Kolbens, die die Zylinderumfangswandungen an mehreren Stellen linienförmig berühren und durch die Zylinderumfangsflächen gebildet sind, wobei der Querschnitt des Zylinders nahezu die Form eines regelmässigen, vorzugsweise mit geraden Seitenkanten versehenen Vieleckes hat, in dessen Eckbereichen Ausnehmungen vorgesehen sind, die Teile der Arbeitsräume bilden, wobei der Umriss des Querschnittes des Kolbens durch die Hüllkurve der mit dem Kolben in Berührung kommenden Abschnitte des Umfanges des Zylinders in der Ebene der Kolbenbewegung gebildet ist und dass die vom Kolben berührten Abschnitte der Zylinderumfangsfläche zwischen den Ausnehmungen durch radialbewegliche Gleitstücke gebildet sind, die so im Zylinder gelagert sind,
dass sie radial gegen die Arbeitsfläche des Kolbens zu seiner Abdichtung gedrückt werden können nach Patent Nr. 271096.
Bei Maschinen der eingangs genannten Art muss dafür gesorgt sein, dass das eine Arbeitskammer erfüllende Medium von den benachbarten Kammern getrennt bleibt, um die erforderliche Kompression herbeizuführen und den Wirkungsgrad schmälernde Verluste zu vermeiden.
Die bisher bekannten Dichtungsverfahren bei Drehkolbenmaschinen oder-motoren kann man in die nachstehend angeführten Gruppen einteilen.
1. Dichten durch erzwungene Bewegungen des Kolbens, bei denen enge Spalte zwischen Kolben und Zylinder hergestellt werden, in denen eine Stauung des Arbeitsmediums auftritt.
Auf diese Dichtungsart beziehen sich die Verfahren nach der franz. Patentschrift Nr. 1. 252. 836, gemäss welcher das Profil des Kolbens und das des Zylinders theoretisch nach einer wechselnden linearen Charakteristik zusammenarbeiten, denn jede Dichtungsgarnitur ist nur entweder im Kolben oder im Zylinder vorgesehen.
2. Dichten durch Dichtungselemente, wie Platten, Ventile, Klappen usw., die gelenkig oder gleitbar mit dem Drehkolben verbunden sind und bestimmte Relativbewegungen bezüglich des Kolbens ausführen. Eine solche Dichtung ist in zahlreichen ausgeführten Konstruktionen bei Drehkolbenmaschinen bekannt, welche Maschinen teils als Pumpen, teils als Kompressoren mit geringem Druck arbeiten.
3. Dichten durch Dichtungselemente, wie Platten, Ventile, Widerlagsschieber, Klappen, die
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B.Nr. 17262 sowie aus den deutschen Patentschriften Nr. 191695, Nr. 283368, Nr. 529165 und Nr. 817058 bekannt.
4. Dichten mit Hilfe von am Drehkolben selbst angeordneten Dichtungsmitteln, welche jedoch keine Relativbewegung gegenüber jenem ausführen. Solche Dichtungen sind in den Patentschriften über Drehkolbenmotoren der Trochoidenbauweise (Wankelmotoren) beschrieben.
5. Dichtungen mit Hilfe von im starren Zylinder montierten Dichtungsmitteln, welche ebenfalls keine Relativbewegung gegenüber letzterem zulassen. Eine solche Dichtung kann ebenfalls den Patentschriften über Drehkolbenmotoren der Trochoidenbauweise, z. B. der franz. Patentschrift Nr. 1. 278. 136 entnommen werden.
Die genannten Dichtungsmöglichkeiten für Drehkolbenmotoren zeigen verschiedene Nachteile, unter welchen besonders zu erwähnen ist, dass bei der Dichtung durch Stauung in Spalten (Punkt 1) bei niedrigen Drücken keine genügende Abdichtung erreicht wird. Der Nachteil der Dichtungen nach den Punkten 2 und 3 liegt im wesentlichen darin, dass die den Dichtungselementen in Abhängigkeit vom Kolben aufgezwungenen kinematischen Kräfte bedeutende Trägheitsmomente aktivieren, welche eine genaue Abstimmung zwischen den Dichtungselementen einerseits und dem jeweils zwischen den Dichtungsflächen und deren Führungen wechselweise aufrecht zu erhaltenden wechselnden Druck anderseits verhindern.
Wie die Praxis zeigt, kann der zum befriedigenden Funktionieren einer Drehkolbenmaschine unbedingt erforderliche Grad der Abdichtung nur durch die in den Punkten 4 und 5 genannten Verfahren sichergestellt werden.
Ihre Verlustkonstante bei der Trennung der Arbeitskammern resultiert aus den beträchtlichen mechanischen Verlusten einerseits durch die gleitende Reibung zwischen der Zylinderfläche oder der Kolbenfläche und den Dichtungen anderseits aus den sehr hohen Flächendrücken auf diese Dichtungsflächen. Daher haben die Dichtungselemente die Form schmaler Unterlagen mit sehr geringem Krümmungsbogen.
Ein weiterer Nachteil der Dichtungsart nach Punkt 4 besteht darin, dass starke Trägheitskräfte in Erscheinung treten, Kräfte, welche ihren Ursprung in der durch den bewegten Kolben den Dichtungselementen mitgeteilten Beschleunigung haben. Dadurch unterliegen diese Elemente einer raschen Abnutzung und Zerstörung.
Diese sehr nachteiligen Wirkungen treten dann besonders in Erscheinung, wenn die Beschleunigung einem Richtungswechsel unterliegt, weil hiedurch ein Abheben von der Gegenfläche und Vibrationen eintreten, die die Lebensdauer der besagten Elemente ebenso wie die der sich berührenden Flächen vermindern.
Die oben erwähnten Nachteile der bekannten Anordnungen werden durch die Erfindung vermieden. Diese kennzeichnet sich im wesentlichen dadurch, dass die Aussenseite der radialbeweglichen Gleitstücke in Teilflächen unterteilt ist, die gegeneinander abgedichteten Räumen zugehören, von denen in den Zylinderraum mündende Kanäle ausgehen, deren Mündungen vom Kolben nacheinander freigegeben werden, wobei die die Gleitstücke gegen den Kolben drückende Anpresskraft stufenweise wechselt und den vom Druck im Zylinder auf die vom Kolben zunehmend freigegebenen Gleitstücke ausgeübten Schub stets übersteigt.
Die Dichtungselemente nach der Erfindung sind zwar wie bei bekannten Einrichtungen gleitend angeordnet. Sie bleiben aber in allen Phasen des Motorlaufes im wesentlichen lagekonstant, so dass keinerlei Trägheitskräfte zu überwinden sind und keinerlei schädliche Beschleunigungen an diesen Elementen auftreten. Reibungsverluste und Abnutzung sind gering, Vibrationen treten nicht auf. Im besonderen ermöglicht die erfmdungsgemässe Abdichtung, den Dichtdruck gegenüber der Arbeitsfläche des Kolbens in Abhängigkeit vom Druck des Arbeitsmediums in der Arbeitskammer des Zylinders einzustellen. Demzufolge wird das schädliche Abbremsen des Kolbens, das auftritt, wenn der Dichtdruck zu gross ist, zugleich aber Leckverluste des Arbeitsmediums vermieden, die bei ungenügendem Dichtdruck im Vergleich zum Arbeitsdruck auftreten.
Wird die von den Verbrennungsgasen beaufschlagte Fläche des Dichtungselementes im Verlauf der Expansion grösser, so wird im gleichen Mass auch der vom Arbeitsraum abgeleitete Druck auf die Aussenseite des Dichtungselementes auf eine wachsende Fläche zur Einwirkung gebracht.
Vorzugsweise wird der Druck aus dem Zylinderraum hydraulisch auf die Aussenfläche der Gleitstücke übertragen, wozu die Übertragungskanäle an ihren Mündungen in den Zylinderraum durch Membranen oder Kolben u. dgl. abgeschlossen sind.
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Die Erfindung wird nun beispielsweise an Hand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen Fig. 1 einen Schnitt durch eine Maschine nach dem Stammpatent Nr. 271096 mit erfindungsgemässen Dichtungen, Fig. 2 einen Teilschnitt dieser Maschine nach der Linie A-A der Fig. l, in der die pneumatische Übertragungsweise der Gasdrücke in der Zylinder-Arbeitskammer auf die Oberfläche des Gleitstückes der Zylinderwand gezeigt ist, Fig. 3 einen Querschnitt durch das Gleitstück der Zylinderwand, welcher die hydraulische Variante der Übertragungsweise der Gasdrücke in der Zylinder-Arbeitskammer auf besagtes Gleitstück darstellt, Fig. 4 einen Teilschnitt nach der Linie B-B der Fig. 3, Fig. 5 einen Satz der T-förmigen Dichtungen, wie er für die Zylinder-Endwand verwendet wird und Fig.
6 einen axialen Querschnitt der Auslassöffnungen eines Kanals des Steuersystems.
Die in Fig. 1 dargestellte Maschine nach dem Stammpatent Nr. 271096 besteht aus einem Zylinder, der in diesem Beispiel einen quadratischen Querschnitt mit Ausnehmungen--l und 2--aufweist, welche Ausnehmungen die Verbrennungs-bzw. die Vorkompressionskammern bilden, und der ausserdem einen Kolben --3-- besitzt, der sich im Zylinder dreht und dessen Querschnitt eine Umhüllende der mit ihm zusammenarbeitenden flachen Gleitstücke --4-- der Zylinderwände, bezogen auf die Bewegungsebene des Kolbens, darstellt. Der Kolben ist mit einer nicht gezeichneten Hauptwelle der Maschine mittels einer Kurbel verbunden, auf der er drehbar ist, und ausserdem ist er mit dem Maschinengehäuse über ein Getriebe verbunden, das aus einem inneren ortsfesten Zahnrad und einem um dieses herumlaufenden zylindrischen Zahnrad besteht.
Die flachen Gleitstücke --4-- der Zylinderwand sind in dauernder Berührung mit der Umfangsfläche des Kolbens --2--, der auf ihnen mit Schlupf abrollt und auf diese Weise die Arbeitskammern der Maschine bildet. Die erfindungsgemässe
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Arbeitsflächen dieser Gleitstücke liegen. Die Anpressung der gleistücke --4-- an die Umfangsflächen es Zylinders --3-- wird auf pneumatischem Wege durch Einführen eines unter Druck stehenden Mediums in den Zylinder herbeigeführt.
Zusätzlich erfolgt eine Einstellung des Anpressdruckes der Gleitstücke in Abhängigkeit von den Drücken, die in den Arbeitskammern erzeugt werden, welche Einstellung einerseits durch Übertragung erforderlicher Drücke aus den Arbeitskammern auf die (radial) äussere Seite --8-- der Gleitstücke --4-- herbeigeführt wird, und anderseits durch Anwendung eines Kanalsystems, das bestimmte Stellen der Arbeitskammern, wenn diese Stellen vom rotierenden Kolben unbedeckt sind, mit Teilen der Oberfläche--8--, die voneinander durch Trennwände getrennt sind, verbindet, um auf diese Weise die Wirkung dieser Teile zu steigern, wobei diese Steigerung in Übereinstimmung mit der Zunahme der Oberfläche der Arbeitskammern, die fortschreitend vom rotierenden Kolben freigegeben
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1Endwänden --10-- des Zylinders,
welche Stellen durch den rotierenden Zylinder fortschreitend freigegeben werden, mit Räumen-lla, llb, llc--, die durch Wände --12-- getrennt sind, verbindet. Die Räume --11-- sind mittels der Wand --13-- des Zylinderkörpers und mittels einer Membrane--14--, die einerseits an dieser Wand--13--und anderseits am Gleitstück--4-- befestigt ist, abgedichtet. Weiters sind die Gleitstücke--4--mit Ausnehmungen--15--versehen, die über Kanäle--16--und Ausnehmungen--17--mit dem Kühlsystem der Maschine verbunden sind.
Im folgenden wird nun die Arbeitsweise vorstehend beschriebener Dichtung und das Einstellen des Dichtungsdruckes in Abhängigkeit vom Arbeitsdruck noch genauer beschrieben.
Während seiner Drehbewegung öffnet der Kolben--3-den Kanal--9a--, durch den das in der Arbeitskammer komprimierte Arbeitsmedium in den abgetrennten Raum--lla--fliesst und dort einen Druck auf einen Teil der äusseren Fläche--8--des Gleitstückes--4--der Zylinderwand ausübt, dessen Wert gleich ist dem Produkt aus dem Arbeitsdruck in der Arbeitskammer und dem
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der für das Anpressen des Gleitstückes-4-an die Kolbenoberfläche erforderlichen Kraft.
Während der Weiterdrehung des Kolbens öffnet er der Reihe nach die Kanäle--9b und 9c--
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Kraft, die dem Arbeitsdruck des Arbeitsmediums entgegenwirkt, in dem Masse an, als die Arbeitsfläche des Gleistückes --4-- vom Kolben freigegeben wird. Die Differenz beider Kräfte ist immer so gewählt, dass ein Drucküberschuss auf das Gleitstück in Richtung auf die Kolbenfläche verbleibt, der für die Dichtung der Arbeitskammern erforderlich ist.
Eine andere, in den Fig. 3 und 4 gezeigte Variante gemäss der Erfindung unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen dadurch, dass der Dichtungsdruck des Gleistckes --4-- auf die Kolbenwand und seine Einstellung dadurch erfolgt, dass eine hydraulische Übertragung des Druckes des
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llb, llc, lld-- erfolgt,Gleistckes --4-- hervorruft. Die in den Fig. 3 und 4 erkennbaren Kanäle --9a bis 9d-sind mit Einrichtungen-18-für die Übertragung des in der Arbeitskammer entstehenden Arbeitsdruckes auf das hydraulische Medium ausgestattet, welches sich in den Kanälen--9a bis 9d--und in den Räumen --lla bis lld-befindet. Die Einrichtung --18-- kann eine Membrane, ein Kolben oder ein anderes hiefür geeignetes bekanntes Element sein.
Um die Räume, in denen sich das hydraulische Medium befindet, voneinander zu trennen, ist das Gleitstück-4-mit dem Zylinderkörper-5- und mit der Zylinderwand --13-- mittels mindestens zwei Membranen-14 und 19-verbunden, welche das Gleiten des Gleistckes --4-- im Zylinder ermöglichen.
Diese Anordnung wirkt wie folgt : Der Druck des Arbeitsmediums in der Arbeitskammer presst auf
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bewirkt einen Anstieg des Druckes des hydraulischen Mediums in diesem Kanal und im Raum --lla-- und damit auch einen Anstieg des vom hydraulischen Medium auf die Aussenseite des Gleistckes --4-- ausgeübten Schubes.
Beim Freiwerden der nächsten Kanäle --9b bis 9d-- übertragen die dort befindlichen Membranen den Arbeitsdruck in der Arbeitskammer der Reihe nach in die Räume --11b bis lld-und verstärken den Druck auf die Aussenseite-8-des Gleitstückes --4--. Der Wert dieser Kraft ist immer so gross, dass er die Kraft überwiegt, die vom Arbeitsmedium auf die jeweils vom Kolben freigegebenen Abschnitte des beweglichen Segmentes ausgeübt wird, und dass die Differenz beider Kräfte den Wert annimmt, der die notwendige Dichtung zwischen dem Element --4-- und der Oberfläche des Kolbens--3--sichert.
Die Flächendichtung zwischen der Endwand --10-- des Zylinders und der Endwand des Kolbens-3-wird erssndungsgemäss durch
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zw.--20-, die gleitbar in Ausnehmungen der Zylinderwand --10-- eingesetzt und durch elastische Elemente gegen die Endwand des Kolbens gepresst werden und durch Dichtungen --21--, welche, gesehen in Richtung des Querschnittes der Maschine, die Form eines "T" mit einem längeren horizontalen Arm besitzen, und die zum Abdichten der Oberflächenberührung zwischen den Gleitstücken --4-- und der Endwand --10-- des Zylinders dienen, und schliesslich auch Dichtungen--25-, die in die Endwand --10-- eingebaut sind und die Stifte --20-miteinander verbinden.
Die Dichtungen --21-- sind mit elastischen Elementen sowohl gegen die Endfläche des Kolbens - als auch gegen die Arbeitsflächen der Gleistckes --4-- gepresst. In Fig. 5 ist eine beispielsweise Ausführung dieser Dichtungen gezeigt, welche aus zwei Teilen --21a,21b-- bestehen,
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sie durch das elastische Element --24-- gegen die Oberfläche des Gleitstückes--4--gedrückt. Weiters kann auch der Druck des Arbeitsmediums zur Erzeugung eines Dichtungsdruckes in dieser Richtung eingesetzt werden. Die in Fig. 1 beispielsweise angegebenen Dichtungen haben die Form von Ringsektoren und sind durch elastische Elemente an die Endfläche des Kolbenx --3-- angepresst.
Zusätzlich sieht die Erfindung Dichtungen gewisser Kanäle des Steuersystems der Maschine vor, beispielsweise des Auslasskanals oder der mit den Verbrennungskammern verbundenen Überführungskanäle. In Fig. 6 ist ein Beispiel für die Dichtung der Öffnung des Oberleitungskanals zwischen der Vorkompressionskammer--2--und der mit ihr zusammenwirkenden Verbrennungskammer-l--gezeigt. Dieses Dichtungselement hat die Form einer Manschette - -26--, die gleitbar in eine Ausnehmung --27-- der Endwand --10--, elche die beiden Zylinder trennt, eingesetzt ist. Diese Manschette ist mit einem Kanal--28--versehen, der eine Form und einen Querschnitt aufweist, der den gewünschten Fluss des Arbeitsmediums erlaubt.
Die Manschette - wird mittels einer Ringfeder --29-- gegen die Endwand des Kolbens --3-- gepresst, welche Feder auch eine Membrane bildet, die den Übertritt des Arbeitsmediums von der Verbrennungskammer --1-- zur Vorkompressionskammer --2-- verhindert. Das Dichtungselement
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für den Auslasskanal kann zusätzlich mit einer Ausnehmung versehen sein, die mit dem Kühlsystem verbunden ist und wenigstens zwei Membranen aufweist, um das Kühlmedium vom Arbeitsmedium zu trennen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Drehkolbenmaschine, insbesondere Drehkolbenbrennkraftmaschine, deren mehreckiger Kolben im Zylinder parallel zur Achse der Maschine eine drehende und kreisende Bewegung ausführt und durch ein, ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis aufweisendes Getriebe geführt ist, das aus einem festen innenverzahnten Zahnrad, einem in diesem umlaufenden aussenverzahnten Zahnrad und aus einer Kurbel bzw.
einem Exzenter besteht, und deren volumenveränderliche Arbeitskammern durch die Arbeitsflächen des Kolbens, die die Zylinderumfangswandungen an mehreren Stellen linienförmig berühren und durch die Zylinderumfangsflächen gebildet sind, wobei der Querschnitt des Zylinders nahezu die Form eines regelmässigen, vorzugsweise mit geraden Seitenkanten versehenen Vieleckes hat, in dessen Eckbereichen Ausnehmungen vorgesehen sind, die Teile der Arbeitsräume bilden, wobei der Umriss des Querschnittes des Kolbens durch die Hüllkurve der mit dem Kolben in Berührung kommenden Abschnitte des Umfanges des Zylinders in der Ebene der Kolbenbewegung gebildet ist und dass die vom Kolben berührten Abschnitte der Zylinderumfangsfläche zwischen den Ausnehmungen durch radialbewegliche Gleitstücke gebildet sind, die so im Zylinder gelagert sind,
dass sie radial gegen die Arbeitsfläche des Kolbens zu seiner Abdichtung gedrückt werden können, nach Patent Nr. 271096,
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Teilflächen unterteilt ist, die gegeneinander abgedichteten Räumen (lla, b, c, d) zugehören, von denen in den Zylinderraum (1, 2) mündende Kanäle (9a, b, c, d) ausgehen, deren Mündungen vom Kolben (3) in Drehrichtung nacheinander freigegeben werden, wobei die die Gleitstücke gegen den Kolben drückende Anpresskraft stufenweise wechselt und den vom Druck im Zylinder auf die vom Kolben zunehmend freigegebenen Gleitstücke ausgeübten Schub stets übersteigt.
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