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Flüssigkeitskühlung für Kolben von Kreiskolbenmaschinen Gegenstand
des Hauptpatents ist eine Flüssigkeitskühlung für Kolben von Kreiskolbenmaschinen,
bei denen der Kolben drehbar auf einem sich drehenden Exzenter angeordnet ist und
eine planetenartig kreisende Bewegung gegenüber dem Gehäuse ausführt und eine Anzahl
voneinander getrennter Hohlräume aufweist, die von Kühlflüssigkeit durchströmt werden.
Durch das Hauptpatent wird die Aufgabe gelöst, eine axiale Durchströmung des Kolbens
mit Kühlflüssigkeit ohne Druck zu bewirken. Zu diesem Zweck sind die Hohlräume des
Kolbens in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnet und durch axial sich erstreckende
Wände voneinander getrennt. Auf diese Weise wird die im Kolben befindliche Kühlflüssigkeit
durch die auf die Flüssigkeit wirkenden Beschleunigungskräfte, deren Richtung sich
beim Umlauf des Kolbens ständig ändert, nicht stets an die äußeren Umfangswände
des Kolbens geschleudert, wie dies bei Vorsehung eines einzigen Kolbenhohlraums
oder bei Vorsehung anders angeordneter Hohlräume der Fall wäre, sondern die Kühlflüssigkeit
wird bei radial nach innen gerichteten Beschleunigungskräften in jedem Hohlraum
gegen die Kolbennabe hin geschleudert und kann dort durch entsprechend angeordnete
Auslaßöffnungen in einen nahe der benachbarten Kolbenstirnfläche gelegenen Sammelraum
abgeführt werden. Im Hauptpatent ist weiter die Anweisung enthalten, daß die Einlaßöffnung
radial außerhalb der Auslaßöffnung angeordnet werden soll, und diese Anordnung verfolgt
den Zweck, eine gerichtete Strömung der Kühlflüssigkeit durch die Hohlräume von
einer Stirnfläche des Kolbens zur anderen zu erzielen. Es hat sich nun herausgestellt,
daß diese Anordnung der Zulauf- und Ablauföffnungen einen Durchsatz an Kühlflüssigkeit
erfordert, der größer als notwendig ist, da die Kühlwirkung bei einmaligem Durchströmen
eines Hohlraums nicht vollständig ausgenutzt wird.
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Die Erfindung hat zum Ziel, bei Maschinen, bei denen entsprechend
dem Hauptpatent im Kolben in Umfangsrichtung nebeneinander angeordnete und durch
axial sich erstreckende Wände voneinander getrennte Hohlräume vorgesehen sind und
bei denen zwischen einem Seitenteil des Gehäuses und der benachbarten Stirnfläche
des Kolbens und/oder des Exzenters ein Einlaßsammelraum angeordnet ist, von dem
Kanäle zu den Einlaßöffnungen in den Hohlräumen führen, den Kühlmitteldurchsatz
durch den Kolben auf das erforderliche Maß zu verringern. Dies wird erfindungsgemäß
dadurch erreicht, daß bei zumindest einem Teil der Hohlräume die Zu- und Ablauföffnungen
an Stellen des Hohlraums angeordnet sind, die im Abstand von allen axial sich erstreckenden
Begrenzungsflächen des Hohlraums liegen. Durch diese Anordnung der Öffnungen wird
vermieden, daß der Hohlraum bei nach innen gerichteten Beschleunigungskräften vollständig
entleert wird. Es bleibt vielmehr eine kleine Flüssigkeitsmenge zurück, die sich
mit der frisch durch die Zulauföffnung zugeführte Flüssigkeit vermischt, wodurch
das für die Kühlung zur Verfügung stehende Flüssigkeitsvolumen vergrößert, der gesamte
Kühlmitteldurchsatz jedoch verringert wird. Gleichzeitig wird dabei die Kühlung
des Kolbens wesentlich verbessert, denn es hat sich gezeigt, daß eine vollständige
Entleerung zu einer Überhitzung einzelner Begrenzungswände des Hohlraums führen
kann, und zwar insbesondere der in bezug auf die Drehrichtung des Kolbens nacheilenden
Wände, da auf Grund der Kolbenbewegung ein Bestreichen dieser Wände mit Kühlflüssigkeit
nicht stattfindet, wenn die Öffnungen so gelegt sind, daß die Kühlflüssigkeit vollständig
austreten kann.
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Eine weitere Verringerung des Kühlmitteldurchsatzes kann erfindungsgemäß
dadurch erzielt werden, daß bei mindestens einem Teil der Hohlräume die Zu- und
Ablauföffnungen so angeordnet sind, daß die Kühlflüssigkeit bei nach innen gerichteten
Beschleunigungskräften zum Teil durch die Zulauföffnung
in den
Einlaßsammelraum zurücktritt, wo sie sich mit der dem Einlaßsammelraum frisch zugeführten
Kühlflüssigkeit vermischt.
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Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erreicht werden, daß einige
Hohlräume lediglich mit einer einzigen, sowohl für die Zuführung als auch für die
Abführung der Kühlflüssigkeit dienenden Öffnung versehen werden, die mit dem Einlaßsammelraum
in Verbindung steht. Dabei wird die Kühlflüssigkeit bei radial nach außen gerichteten
Beschleunigungen aus dem Einlaßsammelraum durch die Öffnung in den Hohlraum und
bei radial nach innen gerichteten Beschleunigungen durch dieselbe Öffnung aus dem
Hohlraum wieder in den Einlaßsammelraum zurückgefördert. Selbstverständlich müssen
bei dieser Ausführung einige Hohlräume mit Zulauf- und Ablauföffnungen versehen
sein, damit ein Transport der Kühlflüssigkeit von einer Seite des Kolbens auf die
andere stattfindet.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine
in Trochoidenbauart gemäß Linie 1-1 in F i g. 2, F i g. 2 einen Querschnitt gemäß
Linie 2-2 in F i g. 1, F i g. 3 bis 8 Ansichten ähnlich F i g. 2, mit verschiedenen
Phasenlagen des Kolbens, F i g. 9 einen Längsschnitt entsprechend F i g. 1, mit
einer weiteren Ausführung der Erfindung.
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Die Rotationskolbenbrennkraftmaschine besteht aus einem Gehäuse, das
sich aus zwei Seitenteilen 1 und 2 und 'einem diese verbindenden Mantel 3 mit zweibogiger
Innenfläche 4 zusammensetzt. In den Seitenteilen 1 und 2 ist eine Welle 5 gelagert,
die einen Exzenter 6 aufweist, auf welchem drehbar ein dreieckiger Kolben 7 angeordnet
ist. Die Drehachse der Welle 5 ist mit Ml, diejenige des Kolbens mit M2 bezeichnet.
Die Drehzahl des Kolbens 7 steht zur Drehzahl der Exzenterwelle im Verhältnis 1:
3, und dieses Drehzahlverhältnis wird durch ein Getriebe erzwungen, das aus einem
am Kolben befestigten Hohlrad 8 und einem am Seitenteil 1 befestigten Ritzel 9 besteht.
In den Ecken des Kolbens 7 sind Radialdichtungen 10 angeordnet, die an der inneren
Mantelfläche 4 entlanggleiten, wodurch volumenveränderliche Arbeitskammern 11 gebildet
werden.
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Im Gehäuse sind ein Einlaßkanal für Frischgase, ein Auslaßkanal für
die verbrannten Gase und bei Maschinen, die nach dem Ottoverfahren betrieben werden,
eine Zündkerze vorgesehen, wodurch in jeder Arbeitskammer ein vollständiges Viertaktverfahren
durchgeführt werden kann.
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Der Kolben 7 ist flüssigkeitsgekühlt. Zu diesem Zweck sind im Kolben
mehrere Hohlräume 12 angeordnet, die in Umfangsrichtung nebeneinander liegen und
durch axial sich erstreckende Wände 13 voneinander getrennt sind. Zwischen dem Seitenteil
1 und der benachbarten Stirnfläche 7 a des Kolbens ist ein Einlaßsammelxaum 14 vorgesehen,
der gegen die Arbeitskammern hin durch eine ringförmige Innendichtung 15 abgedichtet
ist und dem Kühlflüssigkeit durch eine Bohrung 16 im Seitenteil 1 von außen her
zugeführt wird. In gleicher Weise ist zwischen dem Seitenteil 2 und der anderen
Stirnfläche 7 b des Kolbens ein Auslaßsammelraum 17 angeordnet, aus dem die verbrauchte
Kühlflüssigkeit mittels eines Schöpfringes 10 durch eine Bohrung 18 abgeführt und
beispielsweise einem nicht gezeigten Kühler zugeführt wird. Von dem Kühler gelangt
die Kühlflüssigkeit dann wieder durch die Bohrung 16 in den Einlaßsammelraum 14.
Der Schöpfring 19 ist in der deutschen Patentschrift 1142 726 genauer beschrieben
und bildet keinen Teil der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 weist jeder Hohlraum 12
eine Zulauföffnung 20 und eine Ablauföffnung 21 auf, wobei die Zulauföffnung 20
durch einen Kanal 22 mit dem Einlaßsammelraum 14 und die Ablauföffnung 21 durch
einen Kanal 23 mit dem Auslaßsammelraum 17 in Verbindung steht. Die Zulauf- und
Ablauföffnungen 20 und 21 jedes Hohlraums sind im Ausführungsbeispiel gemäß F i
g. 1 im wesentlichen auf gleicher Höhe angeordnet. Die Kühlflüssigkeit wird dem
Einlaßsammelraum 14 mit geringem überdruck zugeführt und durch die Kanäle 22 in
diejenigen Hohlräume 12 hineingeschleudert, die in diesem Moment der Drehachse iYh
der Welle 5 in bezug auf die Drehachse M2 des Kolbens 7 im wesentlichen diametral
gegenüberliegen. Es sind dies beispielsweise in F i g. 2 die Hohlräume 12a und 12b.
Bei Drehung des Kolbens um 90° in Richtung des Pfeiles D kommen diese Hohlräume
in eine Lage, die der Drehachse M1 der Welle 5 benachbart ist, wie dies aus F i
g. 5 ersichtlich ist. In dieser Lage wirken die Beschleunigungskräfte auf die in
diesen Hohlräumen befindliche Flüssigkeit radial nach innen zu, was zur Folge hat,
daß die Kühlflüssigkeit durch die Kanäle 23 nach innen in den Auslaßsammelraum 17
geschleudert wird. Da jedoch die Zulauföffnung 20 im wesentlichen auf gleicher Höhe
mit der Ablauföffnung 21 liegt, wird ein Teil der Kühlflüssigkeit aus diesen Hohlräumen
auch in den Einlaßsammelraum 14 zurückgedrückt. Dort vermischt sie sich mit der
durch die Bohrung 16 frisch zugeführten Kühlflüssigkeit. Die Lage der Zulauföffnung
20 relativ zur Ablauföffnung 21 bestimmt somit die Menge der in den Einlaßsammelraum
14 zurücktretenden Kühlflüssigkeit, und es kann je nach den Kühlerfordernissen eine
größere oder kleinere Kühlflüssigkeitsmenge mehrmals zur Kühlung herangezogen werden,
ohne den Gesamtdurchsatz zu vergrößern. Gegenüber einer Anordnung, bei welcher die
Kühlflüssigkeit aus den Hohlräumen nur in den Auslaßsammelraum 17 übertritt, ergibt
dies beträchtliche Vorteile, da man mit einer geringeren, nun aber voll ausgenutzten
Flüssigkeitsmenge auskommt, was zur Folge hat, daß alle Teile des Kühlflüssigkeitskreislaufes,
wie Vorratsbehälter, Kühler, Ölpumpe, kleiner gehalten werden können und das Gewicht
des Gesamtaggregates verringert wird.
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Die gleiche Wirkung kann auch dadurch erzielt werden, daß wie in F
i g. 9 gezeigt, einzelne Hohlräume 12' nur eine einzige Öffnung 25 aufweisen, die
durch einen Kanal 26 mit dem Einlaßsammelraum 14 in Verbindung steht. Die
Kühlflüssigkeit wird vom Einlaßsammelraum 14 auf Grund von radial nach außen gerichteten
Beschleunigungskräften durch den Kanal 26 in den Hohlraum 12' gefördert und von
radial nach innen gerichteten Beschleunigungskräften durch denselben Kanal 26 '
wieder in den Einlaßsammelraum 14 zurückgebracht. Selbstverständlich müssen bei
dieser Ausführung einige Hohlräume mit Zu- und Ablauföffnungen versehen sein, damit
ein Transport der Kühlflüssigkeit zum Auslaßsammelraum 17 stattfindet und stets
frische Kühlflüssigkeit zugeführt werden kann. Diese Einlaß- und Auslaßöffnungen
der
anderen Hohlräume können dabei entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g.
1 oder entsprechend dem Hauptpatent angeordnet werden.
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Die Öffnungen 20, 21 und 25 sind, wie aus F i g. 2 bis 8 ersichtlich,
im Abstand von allen axial sich erstreckenden Begrenzungsflächen 28 a, 28 b, 29
a, 29 b, 30 a, 30 b, 31 a, 31 b der Hohlräume 12, 12
a, 12 b,
12' angeordnet. Diese Anordnung hat zur Folge, daß die Hohlräume
nicht vollständig entleert werden, sondern daß in jedem Hohlraum eine gewisse Restmenge
verbleibt, bis neue Kühlflüssigkeit aus dem Einlaßsammelraum 14 in den betreffenden
Hohlraum eintritt.
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Die F i g. 2 bis 8 zeigen an Hand der als Beispiel herausgegriffenen
Hohlräume 12 a und 12 b die Bewegung der Kühlflüssigkeit in den Hohlräumen und den
Kühlflüssigkeitsstand bei um jeweils 90° gedrehter Welle, wie er sich auf Grund
der auf die Kühlflüssigkeit wirkenden Beschleunigungskräfte ergibt. F i g. 2 zeigt
die Hohlräume 12 a und 12 b in der Zulaufphase, da diese Hohlräume momentan der
Drehachse M1 der Welle 5 in bezug auf die Drehachse M, des Kolbens 7 im wesentlichen
diametral gegenüberliegen. Wie ersichtlich, sammelt sich die Kühlflüssigkeit an
den der Kolbenecke benachbarten Begrenzungsflächen 28 a und 29 a der Hohlräume 12
a und 28 b und 31 b des Hohlraums 12 b. Nach weiterer Drehung des Kolbens in Pfeilrichtung
werden in der Stellung gemäß F i g. 3 die Fläche 29 a des Hohlraums 12 a und die
Flächen 28 b und 29 b des Hohlraums 12b von der Kühlflüssigkeit bestrichen. Dadurch
wird eine gute Kühlung der Trennwand 13 erzielt. Die F i g. 4 und 5 zeigen die Entleerung
der Kolbenhohlräume 12 a und 12 b bis auf eine Restmenge, die auf Grund der Anordnung
der Öffnungen 20 und 21 im Abstand von allen axialen Begrenzungsflächen 28 a, 29
a, 30 a, 31 a und 28 b, 29 b, 30 b,
31 b in den Hohlräumen verbleibt.
Diese Restmenge kann nun bei weiterer Drehung des Kolbens die Flächen 31
a und 31 b und zum Teil auch noch die Flächen 28 a und 28 b (F i g.
6, 7) bestreichen und dadurch kühlen, bis neue Kühlflüssigkeit in der Stellung gemäß
F i g. 7 und 8 zugeführt wird. Es ist ersichtlich, daß keine Kühlung dieser genannten
Flächen während dieses Teiles der Kolbenbewegung eintreten könnte, wenn die Hohlräume
in der Phase gemäß F i g. 5 vollständig entleert worden wären.
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In F i g. 8 hat die betrachtete Kolbenecke wieder dieselbe Stellung
in bezug auf die Wellenachse M1 wie in F i g. 2, und die beschriebene Bewegung der
Kühlflüssigkeit in den Hohlräumen 12 a, 12 b beginnt von neuem. Selbstverständlich
finden entsprechende Bewegungen in jedem Kolbenhohlraum statt. Bei den vorstehenden
Betrachtungen über die Flüssigkeitsströmung in den Hohlräumen und das Verbleiben
einer Restmenge nach Wirksamwerden der Ablauföffnungen wurde nur die Anordnung der
Ablauföffnungen 21 berücksichtigt. Selbstverständlich müssen auch die Zulauföffnungen
20 so angeordnet sein, daß nicht durch sie eine vollständige Entleerung der Hohlräume
erfolgt, da sonst kein Transport der Kühlflüssigkeit von der einen Stirnfläche des
Kolbens zur anderen erfolgt. Auch bei der Ausführung nach F i g. 9 kann die Öffnung
25 einen Abstand von allen sich axial erstreckenden Wänden des Hohlraums 12' haben,
wenn das Zurückbleiben einer Restmenge erwünscht ist.