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Kolben für Rotationskolbenmaschinen, insbesondere -Brennkraftmaschinen
Gegenstand der Hauptpatentanmeldung ist ein Kolben für Rotationskolbenmaschinen,
insbesondere -Brennkraftmaschinen, wobei jede Ecke des Kolbens eine achsparallele,
sich über die ganze Kolbenbreite erstreckende Nut aufweist, in welcher eine ein-
oder mehrteilige Dichtleiste radial beweglich mit Spiel angeordnet ist, die durch
den Druck des Arbeitsmittels an eine Nutwand und gegen die innere Mantelfläche des
Gehäuses gedrückt wird. Gemäß der Hauptpatentanmeldung ist der Kolben mit die Nutkanten
durchbrechenden Aussparungen versehen, welche so ausgebildet sind, daß der Abstand
der Schnittkante zwischen der Bodenfläche der Aussparung und der Kolbenflanke von
der Nutkante größer ist als der Abstand der Nutkante von der inneren Mantelfläche.
Diese Ausbildung der Aussparungen gewährleistet eine plane Anlage der Dichtleiste
an der der Druckkammer abgewandten Nutwand auch dann, wenn das Arbeitsmittel zur
Rückstandsbildung neigt. Solche Rückstände setzen sich z. B. bei Brennkraftmaschinen
in Form von Ölkohle in den Aussparungen an der Dichtleiste als dem heißeren Teil
an. Durch Radialbewegungen der Dichtleiste bleibt stets ein Spalt zwischen der Bodenfläche
der Aussparung und dem Ölkohleansatz an der Dichtleiste, durch den Druckgas entweichen
kann, solange die Dichtleiste noch nicht an der Nutwand anliegt. Dadurch, daß der
Abstand der Nutkante von der inneren Mantelfläche kleiner ist als von der Schnittkante
zwischen der Bodenfläche der Aussparung und der Kolbenflanke, wird gewährleistet,
daß das die Anlage an der Nutwand bewirkende Moment größer ist als das Kippmoment.
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Um ein sicheres Anliegen der Dichtleiste an der Mantelinnenfläche
zu gewährleisten, werden die Leistenstärke und die Nutbreite so aufeinander abgestimmt,
daß ein verhältnismäßig großer Spalt verbleibt, wenn die Dichtleiste an der einen
Nutwand anliegt, damit ausreichend Druckgas in den Nutgrund unterhalb der Dichtleiste
gelangen kann. Dieser Spalt läßt aber eine verhältnismäßig große Kippbewegung der
Dichtleiste zu, was zur Folge haben kann, daß sich die Leiste in ihrer Nut verklemmt.
Außerdem kann bei gekippter Leiste Druckgas nicht in ausreichender Menge unter die
Dichtleiste gelangen, so daß eine zuverlässige Anlage der Dichtleiste an der Gehäuseumfangswand
nicht gewährleistet ist.
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In Weiterbildung der Lehre nach dem Hauptpatent wird zur Vermeidung
der vorerwähnten Nachteile erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß sich die Aussparungen
in den Nutwänden bis unterhalb der Dichtleiste erstrecken und daß in der Nut unterhalb
der Dichtleiste ein bewegliches Einsatzstück angeordnet ist, welches einerseits
an der Unterseite der Dichtleiste und andererseits an der Nutwand, die der Arbeitskammer
mit dem geringeren Druck benachbart ist, anliegt und zusammen mit der Dichtleiste
die dort angeordneten Aussparungen abdeckt. Diese Ausbildung hat zur Folge, daß
das Druckgas, welches die Dichtleiste nach außen zu drücken hat, weniger durch den
Spalt zwischen Dichtleiste und Nutwand, als vielmehr direkt durch die Aussparungen
in den Nutgrund gelangen kann. Daher kann die Dichtleiste mit einem sehr engen Spiel
von einigen hundertstel Millimetern in die Nut eingepaßt werden, wodurch die Kippbewegung
der Dichtleiste beim Anlagewechsel außerordentlich gering wird und die Gefahr eines
Klemmens weitgehend beseitigt ist. Dadurch, daß die Dichtleiste nur einen sehr kleinen
Weg zurückzulegen hat, wenn sie von der Anlage an der einen Nutwand zur Anlage an
der anderen Nutwand kommt, wird auch die Wucht des Aufpralls beim Anlagewechsel
verringert und eine schnelle Wiederherstellung der Abdichtung gewährleistet.
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Der durch die Aussparungen in den Nutwänden an sich gebildete Kurzschluß
zwischen den benachbarten Arbeitskammern wird durch die Einsatzstücke verhindert,
die durch den Gasdruck an die betreffende Nutwand angedrückt werden und zusammen
mit der Dichtleiste die in dieser Nutwand angeordneten Aussparungen absperren. Dieser
Gasdruck bewirkt gleichzeitig ein Anliegen der Einsatzstücke an der Unterseite der
Dichtleiste.
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Durch die Erfindung wird die Funktion der Aussparungen nach der Hauptpatentanmeldung
erweitert, indem diese nun nicht nur zur Entlüftung, sondern
auch
zum Zuführen von Druckgas zum Nutgrund dienen.
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Es ist bereits bekannt, in einer Nutwand Nuten vorzusehen, durch die
das Arbeitsmittel aus einer Arbeitskammer in den Nutgrund gelangen kann. Diese bekannte
Anordnung ist für Maschinen unbrauchbar, bei denen in benachbarten Arbeitskammern
abwechselnd der höhere Druck herrscht. da hier einmal aus der einen und einmal aus
der anderen Arbeitskammer Druckgas in den Nutgrund gelangen muß. Bei einer anderen
bekannten Ausführung stehen beide benachbarte Arbeitskammern durch Kanäle mit dem
Nutgrund in Verbindung, und ein Kurzschluß zwischen den Arbeitskammern wird durch
in den Kanälen angeordnete Rückschlagventile unterbunden. Solche Rückschlagventile
sind teuer und störanfällig und die Kanäle werden ebenso wie die Nuten nach kurzer
Zeit verstopft, wenn das Arbeitsmittel zur Rückstandbildung neigt.
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Unterhalb der Einsatzstücke können in an sich bekannter Weise Federn
angeordnet werden, welche die Einsatzstücke an die Unterseite der Dichtleiste andrücken,
solange noch kein ausreichender Gasdruck vorhanden ist. Man kann jedoch auf die
Federn verzichten, wenn man die Höhe der Dichtleiste und die Höhe des Einsatzstückes
so wählt, daß ihre Summe nur geringfügig kleiner ist als der Abstand des N_utgrundes
von der Innenfläche des Gehäusemantels, so daß nur ein sehr kleiner Spalt verbleiben
kann. Das durch diesen kleinen Spalt abströmende Druckgas erzeugt einen Unterdruck,
der bewirkt, daß die Anlage zwischen Dichtleiste und innerer Mantelfläche bzw. zwischen
der Unterseite der Dichtleiste und dem Einsatzstück sofort wiederhergestellt wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Prinzip
dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Kolbenecke gemäß der
Linie 1-1 in F i g. 2 und F i g. 2 einen Schnitt gemäß Linie 2-2 in F i g. 1. Mit
1 ist ein mehreckiger Kolben bezeichnet, der in Richtung des Pfeiles D exzentrisch
in einem Gehäuse umläuft, das sich aus den Seitenteilen 2 und 3 und einem diese
verbindenden Mantel 4 zusammensetzt. Die Innenfläche 5 des Mantels 4 hat
im Querschnitt eine mehrbogige Form, vorzugsweise nach Art einer mehrbogigen Epitrochoide.
Der Kolben 1 weist an jeder Ecke eine Nut 6 auf, die sich über die ganze Kolbenbreite
erstreckt und in welcher eine Dichtleiste 7 radial beweglich mit Spiel angeordnet
ist. Die Dichtleiste 7 gleitet ständig an der inneren Mantelfläche 5 entlang und
dichtet die benachbarten Arbeitskammern A und B, die während des Umlaufes
des Kolbens ihr Volumen verändern, in Umfangsrichtung gegeneinander ab. Die Dichtleiste
7 ist im Ausführungsbeispiel mehrteilig ausgeführt und besteht aus einem Mittelteil
8 mit abgeschrägten Enden 9, an die dreieckförmige Endstücke 10 angesetzt sind.
Durch diese Ausbildung kann sich die Dichtleiste in ihrer Länge ändern und unabhängig
von thermischen Verzügen des Gehäuses an den Innenflächen der Seitenteile 2 und
3 anliegen. Man kann jedoch auch einteilige Dichtleisten verwenden.
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Die Anlage der Dichtleiste 7 an der inneren Mantelfläche 5 erfolgt
im Betrieb durch den Gasdruck in der benachbarten Arbeitskammer, in welcher der
höhere Druck herrscht. Um das Druckgas unter die Leiste gelangen zu lassen, sind
in den Nutwänden 18 und 21 Aussparungen 11 und 12 vorgesehen, welche den Nutraum
13 unterhalb der Dichtleiste 7 mit den benachbarten Arbeitskammern A und
B verbinden. Unterhalb der Dichtleiste 7 ist in der Nut 6 ein Einsatzstück
14 mit größerem seitlichen Spiel angeordnet. Dieses Einsatzstück 14 hat den
Zweck, zusammen mit der Dichtleiste 7 die Aussparungen 12 abzusperren, wenn in der
Arbeitskammer A der höhere Druck herrscht, und umgekehrt bei höherem Druck in der
Arbeitskammer B die Aussparungen 11 abzuschließen, da sonst durch diese Aussparungen
eine direkte Verbindung zwischen den Arbeitskammern A und B vorhanden
wäre. Unterhalb des Einsatzstückes 14 ist eine Feder 15 vorgesehen, welche das Einsatzstück
14 gegen die Unterseite der Dichtleiste 7 drückt. Wie aus F i g. 2 ersichtlich,
dient die Feder 15 außerdem dazu, die dreieckförmigen Endstücke 10 der Dichtleiste
7 nach außen zu drücken. Die Anlagestellen 17 der Feder 15 an den Endstücken 10
sind dabei so gewählt, daß die Federkraft kein Kippmoment auf die Endstücke 10 ausübt.
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Die Wirkungsweise der Anordnung ist folgende: Es sei angenommen, daß
in der Kammer A der höhere Druck herrscht. Das Druckgas gelangt durch die Aussparungen
11 in den Nutraum 13 und wirkt auf die Unterseite der Dichtleiste 7, die zugewandte
Seitenfläche und die Unterseite des Einsatzstückes 14. Dadurch wird die Dichtleiste
7 nach außen zur Anlage an die innere Mantelfläche 5 und das Einsatzstück 14 einmal
an die der Arbeitskammer A abgewandte Nutwand 18 sowie an die Unterseite der Dichtleiste
7 angedrückt. Außerdem wirkt der Gasdruck auf die Seitenwand 19 der Dichtleiste
7 und drückt auch die Dichtleiste gegen die Nutwand 18. Somit sind durch
die Dichtleiste 7 und das Einsatzstück 14 die Aussparungen 12, die von der Nutwand
18 ausgehen, gasdicht abgesperrt. Die Aussparungen 12 gewährleisten andererseits,
daß sich kein Gasposter zwischen der Nutwand 18 und der benachbarten Leistenwand
aufbauen kann.
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Verringert sich nun der Gasdruck in der Kammer A, so kommt ein Moment,
in welchem die Reibungskraft PR überwiegt und die Leiste 7 in ihrer Nut 6 um die
Nutkante 20 kippt. Dieses Kippen hat keinen Einfluß auf die Abdichtung, da
der Gasdruck in Kammer A nach wie vor durch die Aussparungen 11 in den Nutraum
13 gelangen kann und somit die Dichtleiste 7 nach wie vor nach außen und
das Einsatzstück 14 an die Unterseite der Dichtleiste 7 und an die Nutwand 18 gedrückt
werden. Wenn sich in der Kammer B ein Druck aufgebaut hat, der größer ist als derjenige
in Kammer A, so werden die Dichtleiste 7 und das Einsatzstück 14 zur Anlage an die
Nutwand 21 gebracht. Das Druckgas aus Kammer B kann. durch die Aussparungen
12 in den Nutraum 13
gelangen und die Unterseiten der Dichtleiste 7
und des Einsatzstückes 14 beaufschlagen.
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In den Seitenwänden des Mittelstückes 8 der Dichtleiste 7 sind in
Längsrichtung der Leiste verlaufende Aussparungen 22 vorgesehen, welche gewährleisten,
daß die Dichtleiste stets an zwei Stellen an der betreffenden Nutwand 18 bzw. 21
anliegt, auch wenn diese Nutwand durch thermische Einflüsse eine konvex gewölbte
Form erhalten sollte. Dadurch wird die Kipptendenz der Leiste wesentlich verringert.
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Es sei bemerkt, daß die Feder 15 lediglich dazu dient, das Einsatzstück
14 an die Dichtleiste 7 und damit die Dichtleiste 7 an die innere Mantelfläche 5
anzudrücken, solange noch kein ausreichender Gasdruck
in einer
der Arbeitskammern A, B vorhanden ist. Diese Feder 15 kann unter Umständen
entfallen, wenn die Gesamthöhe x von Dichtleiste 7 und Einsatzstück 14 nur geringfügig
kleiner ist als der Abstand y des Nutgrundes 23 von der inneren Mantelfläche 5.
In diesem Falle kann sich nur ein sehr kleiner Spalt zwischen der Dichtleiste 7
und der inneren Mantelfläche 5 oder zwischen der Unterseite der Dichtleiste 7 und
dem Einsatzstück 14 ergeben, durch den Druckgas von der Arbeitskammer A in die ArbeitskammerB
oder umgekehrt strömen kann. Eine derartige Strömung erzeugt in dem Spalt einen
Unterdruck, der die Dichtleiste 7 bzw. das Einsatzstück 14 sofort wieder zur Anlage
an die innere Mantelfläche 5 bzw. an die Unterseite der Dichtleiste 7 bringt, so
daß dadurch entstehende Leckverluste vernachlässigbar klein sind.