Verfahren zum Betriebe von Drehkolbenbrennkraftmaschinen mit sichelförmigem, in Zellen unterteiltem Arbeitsraum und Drehkolbenbrenukraftmaschine zum Ausführen dieses Verfahrens. Es sind Drehkolbenkraftmaschinen be kannt, die.
einen sichelförmigen, in Zellen un terteilten Arbeitsraum besitzen und als Dampf- oder Druckluftmotoren arbeiten. Fer ner sind Brennkraftdrehkolbenmaschinen be kannt, die ebenfalls einen sichelförmigen, in Zellen unterteilten Arbeitsraum besitzen und bei welchen für die einzelnen Vorgänge, wie beispielsweise das Aufladen der einzelnen Zellen, besondere Steuerorgane, wie Schieber, Ventile, Kolben oder dergleichen ausserhalb des Arbeitsraumes vorgesehen sind.
Im wei teren sind auch schon Drehkolbenbrennkraft- maschinen vorgeschlagen worden, die einen unrunden Arbeitsraum aufweisen, so dass das Zellenvolumen während einer Umdrehung des Rotors mehrmals vergrössert und verkleinert wird. Endlich ist auch der Vorschlag ge macht worden, die Arbeitsgase in verschie denen Arbeitsräumen zu verdichten und expandieren zu lassen, oder sie während der Verdichtung oder am Ende derselben aus den Zellen auszustossen, in eine Brennkammer zu leiten und nach der Verbrennung die Arbeits gase .den Zellen zur Expansion wieder zuzu führen.
Alle diese Vorschläge haben zu keinen praktischen Resultaten geführt, weil densel ben prinzipielle Fehler anhaften. So sind alle Steuerorgane, .die Gase unter hoher Tempe ratur zu steuern haben, im Betriebe untaug lich, weil sie, ungekühlt, rasch verbrennen und gekühlt, grosse -#Värmeverlustquellen bil den.
Geht man vom sichelförmigen Arbeits raum ab, um eine Art Viertaktbrennkraft- maschine zu schaffen, so heben sich die Schieber, welche die einzelnen Zellen vonein ander trennen, bei jeder plötzlichen Ge- schwindigkeitsänderung, welche die unrunde Gehäusebohrung mit sich bringt, vom Ge- häuse ab, was einen Druekausgleich zwischen den betreffenden Zellen mit sich bringt, der jeden Betrieb verunmöglicht. Zudem häm mern sich die Schieber in kurzer Zeit in die Gehäusewand ein,
so dass infolge der dadurch entstehenden Vertiefungen der Betrieb un möglich wird. Auch die Verteilung der Ar beitsphasen: Verdichtung und Expansion auf zwei verschiedene Arbeitsräume und das Hin ausschieben des Zelleninhaltes nacherfolgter Verdichtung in einen speziellen Brennraum, sind wärmetechnisch falsch, weil infolge der beim Überströmen der Gase nicht zu vermei denden Wärmeverluste und Druckverluste der thermische Wirkungsgrad derart vermin dert wird, dass solche Maschinen neben den bestehenden Brennkraftmasehinen nicht be stehen können.
Gegenstand vorliegender Erfindung bil det nun ein Verfahren zum Betriebe von als Drehkolbenmaschinen ausgebildeten Brenn- kraftmaschinen, das ermöglicht vermittelst eines einzigen Rotors, der sich in einem siehelförmigen, in Zellen unterteilten Arbeits raum dreht, .sowohl die Verdichtung als auch die Expansion unter Vermeidung von Steuer organen. zu bewältigen.
Zu diesem Behufe wird ,gemäss vorliegender Erfindung der ein zelnen Zelle mindestens ein Teil der Ladung unter Druck zugeführt und sie verbleibt in der betreffenden Zelle bis zur Eröffnung des Auspuffes und wird nach Eröffnung des Einlasses durch die Spülluft möglichst weit gehend aus der Zelle entfernt.
Vorteilhafterweise wind nach Schliessung des Auspuffes ein weiterer Einlass geöffnet, durch welchen weitere Verbrennungsluft von gleicher oder höherer Spannung oder nur Brennstoff oder auch ein brennbares Gemisch eingeführt wird. Ferner kann in einer be sonderen Kammer, die mit den Zellen jeweils am Ende der Kompression in offene Verbin dung kommt, eine Verbrennung aufrecht er halten und auf die vorbeistreichenden Zellen übertragen werden. Falls der Brennstoff in diese Kammer eingeführt wird, kann er darin wegen Luftmangel nur teilweise verbrennen.
Der Rest wird durch den infolge der Teilver- brennung in der Kammer entstaiid(.iiu,i C h@r- druck in die vorbeistreichenden Zellen schleudert, wo die vollständige Verbr(nnuii;@ stattfindet.
Bei der Drehkolbenbrennkraftmaschine mit sichelförmigem, in Zellen unterteilten Arbeitsraum zur Ausführung des Verfahrens ist gemäss vorliegender Erfindung in einem allseitig gekühlten Gehäuse ein mit einem Kühlmittel gekühlter Rotor angeordnet, in welchem in allseitig gekühlten Taschen mit- telst einer Flüssigkeit gekühlte Kolben radial verschiebbar sind. Diese steuern in den Ar beitsraum mündende Ein- und Auslasskanäle für Luft und Brennstoff bezw. Auspuffgase und die Verbindung der Zellen mit einer Kammer, in welcher eine unvollständige Ver brennung aufrecht erhalten wird.
Ferner wei sen die Schieberkolben und der Rotor an den Stirnseiten Abdichtungsvorrichtungen auf, welche die Abdichtung zwischen ihnen und dem Gehäuse bewerkstelligen. Das Kühlmit tel kann zuerst die Verdichtungszone des Ge häuses, alsdann den Rotor und nachher die Expansionszone des Gehäuses kühlen. Die Stärke der den Arbeitsraum begrenzenden Gehäusewand nimmt in der Verbrennungs- und der Expansionszone am Umfang in der Umdrehungsrichtung zweckmässig allmählich ab und ist vorteilhaft in der Verdichtungs zone bis gegen die Kammer möglichst klein.
Im weiteren können die Schieberkolben .eine Flüssigkeit einschliessen, die den Hohlraum der Schieberkolben nicht ausfüllt.
Auf beiliegenden Zeichnungen sind drei Ausführungsbeispiele der Drehkolbenbrenn- Kraftmaschine gemäss der Erfindung,darge- stellt. Anhand derselben wird im folgenden auch das Verfahren gemäss der Erfindung beispielsweise erläutert.
Auf den Zeichnun gen zeigt: Fg. 1 das erste Ausführungsbeispiel im Schnitt nach Linie I-I der Fig. 2, und Fig. ? einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1;
Fig. 3 betrifft das zweite Ausfiihrungs- beispiel; Fig. .l zeigt einen Teil eines Querschnit- teä durch die dritte Drehkolbenbrennkraft- maschine. während Fig. 5 ein Schnitt nach der Linie V-V der Fig. -1 ist.
In den Figuren 1 und 2 ist das Gehäuse 1 der Drehkolbenbrennkraftmaschine an den Stirnseiten durch zwei wassergekühlte Deckel 2, 21 abgeschlossen, in welchen Lager für eine Welle 3 des Rotors 30 exzentrisch zur Bohrung des Gehäuses 1 eingebaut sind. Die \Felle 3 dient zugleich zur Zuführung eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser, für den Rotor 30, das durch eine Leitung 4 in der Welle 3 zu- und durch einen Ringraum 5 zwischen der Leitung $ und der Welle 3 in der Richtung der in Fig. 1 eingezeichneten Pfeile A abfliesst.
Der Rotor 30 besitzt Taschen 6, die in seinen Kühlraum 31 soweit hineinragen, dass um die Welle 3 ein freier Ringraum für das Kühlmittel offen bleibt. Die Taschen 6 sind allseitig gekühlt und enthalten je einen Kol ben mit zwei Schiebern 7, 71, zwischen denen ein dritter, aus drei Stücken 8', 82, 8-' (Fig.l) bestehender Schieber geführt ist. Die Teile 8', 82 des dritten Schiebers jedes Kolbens werden zwecks Abdichtung in nicht gezeig ter Weise, beispielsweise durch eine Feder, oder durch den in den Spalt 9 zwischen ihnen eindringenden Gasdruck gegen die Deckel 9, 21 gepresst. Durch diese Kolben wird der Raum zwischen dem Rotor 30 und dem Ge häuse 1 in Zellen unterteilt. Die Abdichtung dieser Zellen gegeneinander erfolgt durch die Schieber 7, 71.
An den Stirnseiten des Ro tors 30 sind zur Abdichtung der Zellen Seg mente 10 in ringförmige Rillen eingelegt. die den Rillenraum zwisehen zwei Kolben dichtend ausfüllen und durch nicht gezeigte Federn oder durch einen hinter denselben in ebenfalls nicht gezeigter Weise wirkenden Gasdruck. oder beides zugleich, gegen den Deckel 2 bezw. 2' gedrückt werden.
In der Gegend .grössten Zellenvolumens sind im Ge häuse 1 ein Auspuffkanal 11 mit den steuern den Kanten 11' und 11= und ein Lufteinlass- kanal 12 mit den steuernden Kanten 12', 122 vorgesehen. 13 bezeichnet einen Zusatzkanal, durch den ein weiterer Teil der Ladung: Ver brennungsluft, brennbares Gas, reiches Brennstoffluftgemisch oder fein zerstäubter Brennstoff eingeführt wird. Hinter der Ge gend kleinsten Zellenvolumens ist im Ge häuse 1 eine Kammer 14 mit Stutzen 15 vor gesehen, die in offener Verbindung mit dem Arbeitsraum der Brennkraftmaschine steht.
Die Kammer 14 wird an der Kante 142 auf gesteuert. In die Stutzen 15 sind beispiels weise Einspritzdüsen eingebaut; in einen oder mehrere dieser Stutzen 15 kann eine Zünd vorrichtung zum Einleiten der Verbrennung in der Kammer 14 eingebaut sein.
Die den Arbeitsraum am Umfang begren zende Wand des Maschinengehäuses 1 ist auf der Verdichtungsseite 17 (Fig. 2) so dünn wie möglich gehalten. während die Seite 18 in der Verbrennungs- und Expansionszone vorerst stark ist und dann in der Umdre hungsrichtung des Drehkolbens allmählich dünner wird.
Eine Leitwand 19 (Fig. 2) dient dazu, bei 20 ein- und bei 21austreten- des, in Richtung des Pfeiles .B, fliessendes Kühlmittel mit möglichst grosser Geschwin digkeit an der Seite 17 entlang zu führen, wobei .dieses Kühlmittel zu immer wärmeren Teilen der Gehäusewand gelangt. Auf der Expansionsseite tritt Kühlmittel bei 22 ein und bei 23 aus: es fliesst auch dieses in Rich tung des Pfeiles D zu immer heisseren Tei len der Gehäusewand.
Das Kühlmittel wird, was die Zeichnung nicht zeigt, so geleitet, dass es zuerst die Verdichtungsseite 17 des Ge häuses, alsdann den Rotor und zuletzt die Expansionsseite 18 des Gehäuses passiert.
Die durch die Fliehkraft nach aussen -ge- schleuderten Schieber 7; T und 81, 82, 83 wer den von Gleitschuhen 24 getragen, die ihrer seits in Rinnen von Laufringen 25 gleiten können. Die Laufringe 25 gleiten im G e- häuse 1. Sie könnten auch auf Kugeln oder Rollen laufen, die im Gehäuse 1 gelagert sind.
Die Verbrennungsgase treiben im Betrieb den Rotor 30 in Richtung des Pfeiles C. und sobald der vordere Kolben einer Zelle die Steuerkante 11' des Auspuffkanals 11 öffnet, entleert sich der Zelleninhalt. Ist der Druck in der Zelle weit genug gesunken, so tritt sie mit dem Einlasskanal 12 in Verbindung. Es strömt nun vorverdichtete Spülluft ein, welche die Abgase in den Auspuffkanal 11 schiebt. Da die Länge der Kanäle 11, 12 in der Richtung der Maschinenaxe beinahe der Breite des Rotors 30 entspricht, so ist eine vorzügliche Ausspülung der Zellen gewähr leistet, umsomehr die Schieber 7' gleichsam eine Führung für die eintretende Spülluft bilden.
Zufolge der grossen Breite der Ka näle 11, 12 in der Richtung der 'Tellenaxe kann ihre Breite in der Umfangsrichtung selbst bei grossem Durchflussquerschnitt sehr klein sein. Es braucht deshalb selbst bei grosser Drehzahl sowohl bei der Verdichtung, als auch bei der Expansion vom Umfang wenig für die Steuerzeiten geopfert zu wer den, so @dass die Expansion verlängert wird - und die Verdichtung .schon frühzeitig ein setzen kann. Letzteres erlaubt ein grosses Ladegewicht einzuführen, das wesentlich grösser ist als bei Verbrennungskraftmaschi- nen mit hin- und hergehendem Kolben.
Folg lich kann sowohl die spezifische Leistung als auch der thermische Wirkungsgrad der Maschine hoch sein. Die verschiedenen Ka näle 11, 12, 13 könnten auch in die Stirn wände der Maschine, also in die Deckel 2, 2' verlegt sein.
Nach der Spülung überschleift der hin tere Kolben der in Betracht gezogenen Zelle zuerst die Steuerkante 112, so dass die Zelle vom Auspuffkanal 11 abgetrennt wird und jetzt durch den noch offenen Einlasskanal 12 bei geschlossenem Auspuff ein Aufladen unter Druck mit Verbrennungsluft erfolgt. Bei Verpuffungsmotoren wird, nachdem die Zelle durch den hintern Kolben auch noch vom Einlasskanal 12 durch Überschleifen der Kante 122 getrennt worden ist, Brennstoff durch den Zusatzkanal 13 eingeführt.
Es beginnt nun die Verdichtung.
Die Kammer 14 wird in der Nähe des kleinsten Zellenvolumens. kurz nach dessen Erreichung geöffnet, sobald der vordere Kol- ben der Zelle über die Kante 142 hinweg läuft. Das Volumen der Kammer 14 kann so klein sein, dass nur gerade die Einspritz- und allenfalls die Zündorgane in ihr Platz finden; vorteilhafterweise wird aber das Vo lumen dieser Kammer so gross gewählt, dass darin eine gute Ausbreitung der entstehen den Brennstoffstrahlen möglich ist.
Bei Einspritzmotoren wird sämtlicher Brennstoff in die Kammer 14 eingespritzt und verbrennt .in neben ihm eingeführter Luft. infolge Luftmangels nur teilweise, etwa wie in den Vorkammern bekannter Diesel motoren. Diese Verbrennung genügt aber, um die erforderliche Verbrennungstempera tur und den erforderlichen Verbrennungs druck aufrecht zu erhalten. Letzterer ist höher als der Druck, welcher in den Zellen herrscht, wenn sie mit der Kammer 14 in Verbindung treten. Sobald eine Zelle mit der Kammer 14 in Verbindung tritt, wird ein Gemisch von Verbrennungsgasen und Brenn stoff aus der Kammer in die Zelle -geschleu dert.
Der Druckunterschied zwischen dieser Zelle und der Kammer 14 bewirkt, dass der Gesamtinhalt dieser Zelle kräftig durchein ander gewirbelt wird, so dass der von der Zelle mitgebrachte Inhalt an der Verbren nung teilnimmt. Gleichzeitig setzt eine Drucksteigerung ein, weil in der Kammer 14 nicht verbrannter Brennstoff in .der Zelle die zur Verbrennung notwendige Luft vorfindet. Die Durchwirbelung kann grösser als bei Vor kammermotoren und bei mit Lufteinblasung arbeitenden Dieselmaschinen sein, weil die Kammer 14 grösser sein kann.
Die Vertei lung des Brennstoffes auf die Verbrennungs luft ist auch besser. weil der ganze Zellen inhalt an dem aus der Kammer 14 austre tenden Gemischstrahl vorbeigeführt wird, während bei Motoren mit hin- und hergehen dem Kolben die Verbrennungsluft durch den zurückgehenden Kolben vomBrennstoffstrahl abgesaugt wird. Die Kammer 14 speichert also stets eine gewisse Menge Gas. unter hohem Druck und hoher Temperatur auf, was immer .sicher eine Zündung in allen Zellen einleitet, unabhängig von der Belastung der Maschine. Es braucht deshalb in einer Ma schine der beschriebenen Bauart die Verdich tung auch bei schlecht zündenden Brennstof fen nicht unnötig hoch getrieben zu werden.
Der beim Aufsteuern einer Zelle am wei testen von der Mündung der Kammer 14 ent fernt liegende Teil der Zelle wird an der Verbrennung nicht so lebhaft teilnehmen wie der Teil, .der beim Öffnen der genannten Mündung gegenüber liegt, so dass in jenem Teil der Zelle nach :der Verbrennung ein gro sser Luftüberschuss verbleibt.
Sobald aber die nächste Zelle mit der Kammer 14 in Ver bindung tritt, findet eine Rückströmung aus der mit der Kammer 14 noch in Verbindung stehenden Zelle in diese Kammer 14 statt, wobei gerade der letztgenannte Teil des Zel leninhaltes in die Kammer 14 gelangt; die aus den Zellen in die Kammer 14 rückströ mende, noch nicht verbrannte Luft hält .die Verbrennung in dieser Kammer aufrecht.
Bei Verpuffungsmo.toren wird nur wenig Brennstoff in die Kammer 14 eingeführt, bei spielsweise soviel als in der in die Kammer rückströmenden Luft vollständig verbrennen kann, jedenfalls aber genügend, um die hohe Temperatur in der Kammer zu erhalten.
Bei a11 den beschriebenen Verbrennungs vorgängen verbleibt aber weitaus der grösste Teil der vor der Verdichtung in die Zellen eingeführten Ladung in der betreffenden Zelle; erst nach Eröffnung des Auspuffes strömt ein Teil des Zelleninhaltes aus, .so dass der Druck in der Zelle auf den Auspuff druck sinkt, und nach Eröffnung des Einlas ses wird der Rest des Zelleninhaltes durch die Spülluft möglichst aus der Zelle ent fernt.
Die Kühlung des Rotors 30, die für die Kühlhaltung der Schieber 7, 7<B>'</B> und 8', 8=, 83 von Wichtigkeit ist, wird durch .dessen Dreh bewegung begünstigt, weil der Druck des Kühlmittels an der Aussenfläche der Taschen 6 den Wärmeübergang erhöht und die Bil dung, von Dampf- oder Luftblasen verhindert.
Die die Kammer 14 öffnende Kolben kante öffnet auch den Einlasskanal 12 für die Luft und wird dabei jeweils abgekühlt. Nach Fig. 3 besitzt .der Rotor 30 am Um fang Vertiefungen. Das bedingt den Vorteil, dass die Kolben 7, 7' beim Vorbeistreichen an .der Kammer 14 in ihrem gut gekühlten Führungsschlitz bis an ihre Aussenkanten eingehüllt bleiben und sich infolgedessen weniger erhitzen können.
Um die auf steuernde Kante 14' der Vorkammer 14 vor zu hoher Erhitzung zu schützen, ist in die Wandung des, Gehäuses 1 in der Nähe dieser Kante noch ein besonderes Kühlrohr 40 ein gebaut, um diese Stelle, unabhängig von der übrigen Kühlung, besonders stark kühlen zu können.
Bei der in Fig. 4 und 5 gezeigten Ma schine ist in jede Tasche,6 ein einteiliger Kol ben 26 eingesetzt, der in eine Pfanne 27 greift. Letztere kann sich in .einem Gleit- schuh 28 drehen.
Der Kolben 26 ist hohl aus gebildet und d essen Hohlraum 29 ist, was die Zeichnung nicht zeigt, teilweise mit einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, gefüllt und nach erfolgter Einführung vollkommen dicht abgeschlossen. Die im Hohlraum 29 verdampfende Flüssigkeit erzeugt einen Satt= dampf, der sich an den Teilen des Kolbens 26 in .der Tasche 6 wieder niederschlagen kann. Es ist zu beachten, dass infolge der Fliehkraft die kühlende Flüssigkeit im Hohl raum der Kolben 2-6 stets aussen an den Wan dungen anliegt, was eine zu starke Erwär mung dieses am meisten gefährdeten Teiles verhindert.
Die Kolben 26 könnten auch mittelst durchfliessendem Kühlmittel, zum Beispiel Wasser oder 01, gekühlt werden: Die Vor richtungen zur Abdichtung an .den Stirnsei ten des Rotors und der Kolben sind nicht ge zeichnet. Die hohle Ausbildung der Kolben ermöglicht das Schiebergewicht weitgehend herabzusetzen, so dass der auf die Aussen fläche 26@ (Fig. 4) einwirkende Gasdruck die Fliehkräfte des Schiebers teilweise aufzuneh men vermag.
Dies tritt vor allem in dem Gebiete der höchsten Gasdrücke auf, wo die Fliehkräfte am kleinsten sind, und wo wegen ,der höheren Wandtemperatur des Gehäuses der Maschine ein Anliegen der Schieber unter Druck möglichst vermieden werden soll.
Die Kühlung der Kolben nach Fig. 4 und 5 hat den weiteren Vorteil, dass sich die Kol ben praktisch ebenso stark ausdehnen, wie das ebenfalls gekühlte Gehäuse und der Ro tor; dadurch werden die .Spaltverluste an den Seitenwänden der Maschine stark vermindert, ,da die sonst wegen -der grösseren Wärmedeh nungen der Schieber vorzusehenden grossen Seitenspiele sich bedeutend kleiner bemessen lassen.