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Kreiskolbenmaschine mit einem eine mehrbogige innere Mantelfläche
aufweisenden Gehäuse Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenmaschine mit einem feststehenden
Gehäuse, dessen mehrbogige innere Mantelfläche zusammen mit Seitenscheiben einen
Innenraum begrenzt, welcher senkrecht zu den Seitenscheiben von einer Kurbelwelle
durchsetzt ist, auf deren Umlaufzapfen ein mehrzahniger Läufer drehbar gelagert
ist, der an seinen Stirnseiten axial bewegliche, an der benachbarten Gehäusewand
entlanggleitende Gasdichtungen aufweist und dessen Drehzahl durch ein Getriebe,
das aus einem am Läufer befestigten Innenzahnrad und aus einem am Gehäuse befestigten
Außenzahnrad besteht, in einem festen Verhältnis zur Drehzahl der Kurbelwelle steht.
Es sind Drehkolbenmaschinen bekannt, bei denen ein Läufer innerhalb eines feststehenden
oder umlaufenden Umschließungskörpers gleichförmig um eine ruhende Drehachse umläuft.
Die Kühlung des Läufers macht bei derartigen Maschinen keine Schwierigkeiten, da
dieser fest auf einer Welle angeordnet ist, die sich nach außen erstreckt und somit
zur Zu- und Abführung von Kühlflüssigkeit zum bzw. vom Läufer herangezogen werden
kann. Bei Kreiskolbenmaschinen dagegen vollführt der Läufer gegenüber dem Gehäuse
eine planetenartig kreisende Bewegung, so daß er nicht unmittelbar für den Anschluß
einer Kühlung zugänglich ist, da sich kein mit ihm festverbundenes Teil nach außen
erstreckt. Besondere Schwierigkeiten macht die Kühlung des Läufers bei solchen Kreiskolbenmaschinen,
die als Brennkraftmaschinen gesteuert und betrieben werden, da hier die abzuführende
Wärmemenge verhältnismäßig groß ist. überdies muß ein übertreten der Kühlflüssigkeit
in die Arbeitsräume und umgekehrt ein übertreten von Brenngasen aus den Arbeitsräumen
in die mit Kühlflüssigkeit gefüllten Räume zuverlässig verhindert werden, was insofern
besondere Probleme aufgibt, als bei dieser Maschinenbauart kein mit dem Läufer fest
verbundenes, nach außen geführtes Teil vorhanden ist, welches zur Zu- und Abführung
der Kühlflüssigkeit dienen könnte. Schließlich muß bei den Kreiskolbenmaschinen,
auf die sich die Erfindung bezieht, für eine ausreichende Schmierung des hochbelasteten
Läuferlagers sowie des zwischen Läufer und Gehäuse vorgesehenen Getriebes gesorgt
werden.
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Die Erfindung löst das Problem der Kühlung bei Kreiskolbenmaschinen
der beschriebenen Bauart derart, daß der Läufer in an sich bekannter Weise von einer
Kühlflüssigkeit mit Schmiereigenschaften durchströmt ist und daß die Zu- und Abführung
der Kühlflüssigkeit zum bzw. vom Läufer über Ringräume erfolgt, die zwischen mindestens
einer Stirnseite des Läufers und/oder des Umlaufzapfens und der benachbarten Seitenscheibe
des Gehäuses und/oder zwischen dem Läufer und dem Umlaufzapfen angeordnet sind,
wobei zwischen den Stirnseiten des Läufers und den Seitenscheiben des Gehäuses ringförmige
Flüssigkeitsdichtungen vorgesehen sind, welche das Läuferlager, das Getriebe sowie
die Ringräume zur Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit umschließen. Die genannten
ringförmigen Flüssigkeitsdichtungen sind dabei von den an den Stirnseiten des Läufers
vorgesehenen axial beweglichen Gasdichtungen unabhängig, da sich herausgestellt
hat, daß diese Gasdichtungen ein übertreten der Kühlflüssigkeit in die Arbeitsräume
nicht verhindern können, weil sie bei einem Unterdruck in einer Arbeitskammer, wie
er im Ansaugtakt entsteht, von der benachbarten Gehäusewand abgehoben werden können.
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Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag wird trotz des planetenartig
kreisenden Umlaufs des Läufers eine Durchflußkiihlung des Läufers ermöglicht. Gleichzeitig
wird eine Schmierung des Läuferlagers und des Getriebes erreicht und ein übertreten
von Kühlflüssigkeit in die Arbeitsräume zuverlässig verhindert.
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Die Zuführung bzw. Abführung der Kühlflüssigkeit zu bzw. von den Ringräumen
kann auf verschiedene Weise bewerkstelligt werden. So können zu diesem Zweck Kanäle
in den Seitenscheiben des Gehäuses oder in der Kurbelwelle und im Umlaufzapfen vorgesehen
werden.
Im letzteren Falle münden die Kanäle am Umfang des Kurbelumlaufzapfens und die Ringräume
sind in der Lagerfläche des Läufers angeordnet. Es ist auch möglich, die Zu- bzw.
Abführung der Kühlflüssigkeit durch ein Kurbelwellenlager vorzusehen mit dem Vorteil,
daß dieses Lager gleichzeitig geschmiert wird.
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Für die einwandfreie Funktion der Maschine als Brennkraftmaschine
ist es erforderlich, daß in den Zahnkanten des Läufers radial bewegliche Dichtleisten
angeordnet werden, welche an der mehrbogigen Innenkontur des Gehäuses entlanggleiten.
Um eine Überhitzung dieser Dichtleisten zu verhindern wird erfindungsgemäß vorgeschlagen,
den Läufer mit einem oder mehreren von Kühlflüssigkeit durchströmten Hohlräumen
zu versehen, die sich bis in die achsenfernen Zonen des Läufers, in denen die Dichtleisten
angeordnet sind, erstrecken. Dadurch wird eine intensive Kühlung dieser Zone bewirkt
und eine einwandfreie Funktion der Dichtleisten gewährleistet.
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Wenn bei bestimmten Maschinenbauarten auf Grund konstruktiver Gegebenheiten
eine Erstreckung der Kühlflüssigkeitsströmung bis in die achsenfernen Zonen nicht
möglich sein sollte, so wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, diese Zonen mit dem
durch das Kühlsystem erfaßten Bereich des Läufers durch mit besonders gut wärmeleitfähigen
bzw. -transportierenden Mitteln gefüllte Räume in wärmeleitende Verbindung zu bringen.
Auf diese Weise ist es dann möglich, die Wärme von den Randzonen über die Leitmittel
in den Räumen, welche beispielsweise durch Kupferstäbe, Natriumfüllung od. dgl.
bekannte Mittel dargestellt werden können, nach innen zu führen und dort über das
Durchflußkühlsystem abzuführen.
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Bei besonders hoher thermischer Belastung der Maschine, insbesondere
wenn diese als Hochleistungsbrennkraftmaschine ausgebildet ist, kann erfindungsgemäß
zusätzlich zu dem zur Kühlung des Läufers dienenden Flüssigkeitskreislauf ein den
Kurbelumlaufzapfen kühlender getrennter Kreislauf vorgesehen werden.
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Die zwischen den Seitenscheiben des Gehäuses und den Stirnseiten des
Läufers vorgesehenen Flüssigkeitsdichtungen sind als dünnwandige, elastisch vorgespannte
Ringe ausgebildet, welche vorzugsweise im Läufer eingenutet sind. Sie legen sich
durch ihre Elastizität an die benachbarten Seitenscheiben an. Wenn die Zuführung
der Kühlflüssigkeit durch eine Seitenscheibe des Gehäuses erfolgt, so wird die Anordnung
und Ausbildung der Ringe vorzugsweise derart getroffen, daß sie zusätzlich unter
der Wirkung des Kühlflüssigkeitsdruckes gegen die benachbarte Seitenscheibe gedrückt
werden.
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In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
im Prinzip dargestellt. Es zeigt Fig. 1 eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine im Längsschnitt
gemäß Linie 1-1 der Fig. 2, Fig. 2 einen Querschnitt gemäß Linie 2-2 der Fig. 1,
Fig. 3 und 4 Querschnitte durch verschiedenartig ausgebildete Läufer, Fig. 5, 6
und 7 verschiedene Ausführungsmöglichkeiten der Erfindung an einer schematisch im
Längsschnitt dargestellten Kreiskolbenmaschine und Fig. 8 eine andere Ausführungsform
der Erfindung mit zwei getrennten Kühlkreisläufen.
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Es wird zunächst auf Fig. 1 und 2 Bezug genommen. Die Kreiskolben-Brennkraftmaschine
besteht aus einem Gehäuse, das sich aus den Seitenscheiben 1 und 2 und dem dazwischen
angeordneten Mantel 3 zusammensetzt, der eine zweibogige Innenkontur aufweist. Das
Gehäuse umschließt einen Innenraum, der senkrecht zu den Seitenscheiben 1 und 2
von einer Kurbelwelle 5 durchsetzt ist, die in den Seitenscheiben mittels Gleitlager
21 und 22 gelagert ist. Auf dem Umlaufzapfen 6 der Kurbelwelle 5 ist ein dreizahniger
Läufer 7 mittels .eines Gleitlagers 14 drehbar angeordnet. Mit der Seitenscheibe
2 ist ein Außenzahnrad 8 fest verbunden, in welches ein am Läufer 7 befestigtes
Innenzahnrad 9 eingreift. Durch dieses Getriebe wird ein festes Drehzahlverhältnis
zwischen Läufer 7 und Kurbelwelle 5 hergestellt, das im Ausführungsbeispiel 1:3
beträgt. Wie ersichtlich, vollführt der Läufer 7 bei seiner Drehung auf dem Umlaufzapfen
6 der sich ebenfalls drehenden Kurbelwelle 5 eine planetenartig kreisende Bewegung
gegenüber dem feststehenden Gehäuse. Dabei bleibt er mit seinen Zahnkanten, in denen
Dichtleisten 26 angeordnet sind, ständig in Anlage an der zweibogigen Innenkontur
des Mantels 3, wodurch drei volumenveränderliche Arbeitsräume 4 gebildet werden.
Zur Durchführung eines Viertaktverfahrens in jeder Arbeitskammer sind im Mantel
3 ein Einlaßkanal E, eine Zündkerze Z und ein Auslaßkanal A vorgesehen. Zur Verhinderung
eines Abströmens der in den Arbeitskammern 4 befindlichen Gase durch den Spalt zwischen
den Stirnseiten des Läufers 7 und der benachbarten Gehäusewand sind an jeder Stirnseite
axialbewegliche Seitendichtungen 90 vorgesehen, die an der benachbarten Gehäusewand
entlanggleiten. Auf der Kurbelwelle 5 sind Ausgleichsgewichte 10 angeordnet.
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Zur Kühlung des Läufers 7 ist ein Flüssigkeitskreislauf vorgesehen.
Die Kühlflüssigkeit wird durch eine Bohrung 11 in der Seitenscheibe 1 des Gehäuses
zugeführt und gelangt über einen Ringraum 12 in eine Bohrung 13 in der Kurbelwelle
5, die am Umfang des Kurbelumlaufzapfens 6 endet und mit einem Ringraum 30 in der
Lagerfläche des Läufers 7 auf dem Umlaufzapfen 6 in Verbindung steht. Von dem Ringraum
30 gehen Bohrungen aus, die in Hohlräumen 15 im Läufer 7 münden. Diese Hohlräume
stehen mit einem weiteren Ringraum 30a in der Lagerfläche des Läufers 7 in Verbindung.
Von diesem Ringraum 30 a wird die Kühlflüssigkeit durch Kanäle 17 und 18 in der
Kurbelwelle 5 abgeführt. Aus dem Kanal 18 gelangt die Kühlflüssigkeit in einen Raum
19 und von da aus über den Absauganschluß 20 in einen nicht dargestellten
Ölkühler. Der nötige Druck wird durch eine nicht dargestellte Pumpe erzeugt.
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Zur Läuferkühlung wird eine Flüssigkeit mit . Schmiereigenschaften
verwendet, so daß gleichzeitig die Lager 14, 21 und 22 sowie das Getriebe
8, 9 geschmiert werden. Aus den Lagern 21 und 22 seitlich austretendes Lecköl
gelangt in die Sammelräume 19 und 23 und wird über die Absauganschlüsse 20 und
24 abgeführt. Um ein übertreten von Kühlflüssigkeit entlang den Stirnseiten
des Läufers 7 in die Arbeitsräume 4 zu verhindern, sind an jeder Stirnseite des
Läufers 7 ringförmige Dichtungen 32 vorgesehen, die federnd vorgespannt sind und
an der gegenüberliegenden Gehäusewand entlanggleiten. Diese Dichtungen sind unabhängig
von den seitlichen Gasdichtungen 90 und umschließen, wie ersichtlich, das Läuferlager
14, das Getriebe 8, 9 und die Ringräume 30 und 30 a.
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Die Hohlräume 15 im Läufer 7 sind möglichst nahe der Dichtleisten
26 angeordnet, da eine intensive
Kühlung des Läufers an diesen Stellen
für eine einwandfreie Funktion der Dichtleisten von großer Wichtigkeit ist.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Läufer 7 von Kühlflüssigkeit
durchströmt. Unter bestimmten Voraussetzungen kann eine ausreichende Kühlung des
Läufers jedoch schon dadurch erzielt werden, daß die Kühlflüssigkeit unmittelbar
von dem Kanal 13 über das Lager 14 zu dem Kanal 17 strömt,
wobei die Hohlräume 15 in Fortfall kommen. Dies ist besonders dann möglich, wenn
der Läufer keine allzu große radiale Erstreckung hat, die achsenfernen Zonen 25
(Fig. 2) also einen relativ geringen Abstand von dem Umlaufzapfen 6 haben. Ferner
können an Stelle der Bohrung 13 axiale Nuten in der entlasteten Zone dem Lagers
22 zum Transport des Kühlmittels an eine Stirnseite des Läufers vorgesehen werden.
Die Kühlflüssigkeit gelangt dann in einen Ringraum 32 und von dort aus wiederum
zum Lager 14 und gegebenenfalls über den Ringraum 30 in den Läufer. Der Ringraum
31 ist gegenüber den Arbeitsräumen 4 durch die stirnseitigen Dichtungen 32 abgedichtet,
die in diesem Fall zusätzlich durch den Flüssigkeitsdruck gegen die benachbarte
Gehäusewand gedrückt werden.
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Um die Kühlung der achsenfernen Zonen 25 des Läufers 7 und der hierin
angeordneten Dichtelemente 26 zu verstärken, können nach dem Ausführungsbeispiel
gemäß Fig.3 in diesen Zonen verhältnismäßig große Hohlräume 27 angeordnet werden,
die über Kanäle 28 mit dem Ringraum 30 b in Verbindung stehen, der radial nach innen
zu durch die Lagerbüchse 14a begrenzt ist. Die Zuführung der Kühlflüssigkeit zu
dem Ringraum 30 b erfolgt durch die Bohrung 13 a im Umlaufzapfen 6 und durch Öffnungen
91 in der Lagerbüchse 14a. Die Rückführung der Kühlflüssigkeit erfolgt über die
nämlichen Öffnungen 91 durch die Bohrung 18 a. Die Zirkulation der Kühlflüssigkeit
von dem Ringraum 30 a in die Hohlräume 27 und zurück wird durch die beim
Umlauf des Läufers auftretenden wechselnden Beschleunigungskräfte bewirkt.
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Da es bei Läuferformen mit relativ geringem Querschnitt schwierig
ist, Kühlflüssigkeitsbohrungen ausreichenden Durchmessers im Läufer unterzubringen,
können, wie aus Fig. 4 ersichtlich, geschlossene Hohlräume 29 im Läufer 7 vorgesehen
werden, die sich an die Querschnittskontur des Läufers annähern und sich von den
achsenfernen Zonen 25 bis in die Nähe des von der Lagerbüchse 14a begrenzten Ringraumes
30 b erstrecken. Diese Räume sind mit gut wärmeleitenden bzw. -transportierenden
Mitteln, beispielsweise Natrium, gefüllt. Bei dieser Konstruktion wird nur der zwischen
dem Läufer 7 und der Lagerbüchse 14 a vorgesehene Ringraum 30 b von Kühlflüssigkeit
durchströmt, welche die von der Nitriumfüllung an die innere Randzone des Läufers
gebrachte Wärme abführt. Die Zu- und Abführung der Kühlflüssigkeit zum bzw. vom
Ringraum 30 b erfolgt auf die gleiche Weise wie bei Fig. 3.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 3 und 4 wird die Zirkulation
der Kühlflüssigkeit durch die auftretenden Fliehkräfte unterstützt, indem der Abflußkanal
18a in bekannter Weise auf einen größeren Radius gelegt ist als der Zufuhrkanal
13 a.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 erfolgt die Zuführung der
Kühlflüssigkeit nicht durch die Kurbelwelle, sondern durch die Seitenscheibe 1 des
Gehäuses, wozu Kanäle 33 vorgesehen sind, durch welche die Kühlflüssigkeit in einen
Ringraum 34 zwischen der Seitenscheibe 1 und der benachbarten Stirnseite des Umlaufzapfens
6 eintritt. Dieser Ringraum 34 ist wiederum durch die Dichtung 32 gegenüber den
Arbeitsräumen 4 abgedichtet. Die Kühlflüssigkeit durchströmt den Umlaufzapfen durch
die Kanäle 35, 36 und den Läufer durch die Kanäle 37 und gelangt in den Ringraum
34 a, von wo aus sie durch Kanäle 38 in der Seitenscheibe 2 des Gehäuses abgeführt
wird. Gleichzeitig tritt eine Schmierung des Lagers 14 des Läufers 7 auf dem Umlaufzapfen
6 sowie der Lager 21, 22 der Kurbelwelle 5 ein.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig.6 unterscheidet sich von demjenigen
gemäß Fig. 5 lediglich dadurch, daß die Ringräume 34 und 34 a in den Stirnseiten
des Kurbelumlaufzapfens 6 angeordnet sind. Die Flüssigkeitsführung durch den Umlaufzapfen
und durch den Läufer ist die gleiche.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind die Ringräume 34 und
34 a in den Stirnseiten des Läufers 7 angeordnet und durch die Dichtungsringe
32 gegenüber den Arbeitsräumen abgedichtet. Der Kühlflüssigkeitszulauf erfolgt wiederum
durch die Kanäle 33 in der Seitenscheibe 1 und der Ablauf durch die Kanäle 38 in
der Seitenscheibe 2. Durch die planetenartig kreisende Bewegung des Läufers 7 gegenüber
dem Gehäuse sind die Zu- und Abfuhrkanäle 33, 38 nur zeitweise mit den entsprechenden
Ringräumen 34 und 34a in direkter Verbindung. Durch entsprechende Bemessung des
Spaltes zwischen den Seitenscheiben und den Stirnwänden des Kurbelumlaufzapfens
kann jedoch eine ständige Verbindung geschaffen werden.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.8 ist der Läufer 7 mit einer Durchflußkühlung
versehen, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Zur zusätzlichen Abführung der von dem
Läufer 7 aufgenommenen Wärme ist der Umlaufzapfen 6 mit einer separaten Durchflußkühlung
ausgestattet, wobei das Kühlmittel dieses Kreislaufes durch ein in die Kurbelwelle
5 eingesetztes Rohr 77 in die zentrische Bohrung 78 eintritt und von da aus in Kanäle
79 in dem Umlaufzapfen 6 und durch eine Vielzahl nahe der Peripherie des Umlaufzapfens
6 angeordneter Kanäle 80 strömt, wodurch die Lagerfläche 14 intensiv gekühlt wird.
Die Ableitung der Kühlflüssigkeit erfolgt durch Bohrungen 81 und den Ringraum 82
zwischen dem Rohr 77 und der Kurbelwelle 5.