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Kolbenmaschine mit verschleißfreier Dichtung
Zusatz zu Patent
o.. (Anmeldung H 47895 XII/47 f ) Gegenstand des Patentes ... (Anmeldung H 47895
XII/47 f) ist eine Kolbenmaschine als kraft- oder Arbeitsmaschine mit geradlinig
oszillierendem Kolben, der gegen das Gehäuse, in dem er bewegt wird, nach dem Prinzip
einer atmenden Vollabyrinthdichtung gedichtet ist. Zur Dichtung werden vorzugsweise
solche Labyrinthdichtungselemente herangezogen, die die Form von zylindrischen-Röhren
schwacher Wandstärke haben. Das zylindrische Gehäuse trägt mehrere dieser habyrinthdichtungselemente,
die in radialen Abständen konzentrisch zum Kolbenumfang angeordnet sind, und ebenso
trägt auch der Kolben mehrere Labyrinthdichtungselemente, die konzentrisch zu seinem
Umfang angeordnet sind derart, daß sie sich bei der Hubbewegung des Kolbens mit
geringem radialem Spiel berührungsfrei in den am Zylindergehäuse vorgesehenen Labyrinthdichtungselementen
verschieben können. Es handelt sich also um eine instationäre Vollabyrinthdichtung,
die als "atmende°' Vollabyrinthdichtung zu' charakterisieren ist. Ihre Dichtungswirkung
wird durch Vollabyrinthdichtungselemente herbeigeführt.
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Die Anordnung der Vollabyrinthdichtungselemente am Kolben und am Zylinder
kann so gewählt werden, daß der Kolben beim Expansionshub bzw. Ansaughub die mit
ihm verbundenen labyrinthdichtungselemente so gegen die iiit dem Z"rlinder verbundenen
Elemente verschiebt, daß die in den ,ab;rrint-ldichtun_seleriunten vorhandenen Räume
R verkleinert, oder so, datsie vergrößert werden. Diese Möglichkeiten sind in dem
Patent ... An:iioH 47895 XII/47 f an einem Beispiel eines Viertaktdieselmotors und
an einem Kompressor erläutert, wobei für den Viertaktdieselmotor die Ausführungsform
gewählt wurde, bei der beim Expansionshub die Räume R verkleinert werden. Man kann
aber
auch einen Viertaktmotor derart abdichten, daß sich beim Ansaughub
bzw.Expansionshub die Räume R vergrößern. i>an erhält dann einen Viertaktmotor,
bei. dem sich die Kammern R in der Vollabyrinthdichtunb beim Kompressions- bzw.beim
Auspufftakt verkleinern, beim Expansions- bzw.beim Ansaugtakt dagegen vergrößern.
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Eiden. Motor mit der Vollabyr i nthdichtun.- gemäß H ;7895 XII/47
f nach einem Zweitaktverfahrena etwa nach dem Verfahren der Querspülung, der Umkehrspülung
oder der Gleichstromspülung arbeiten zu lassen, ist ohne besondere Kaßnahmen nicht
möglich, dadie bei herkömmlichen Zweitaktmotoren bekannten, hierzu erforderlichen
übereinander oder nebeneinander liegenden Spülschlitze in der bekannten Art nicht
entsprechend in die einzelnen Vollabyrinthdichtuntselemente hineingeschnitten werden
können.
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Nun wurde die Möglichkeit erkannt, daß sich die am Kolben und ZTrlinder
angeordneten Vollabyrinthdichtungselemente bei genauer Führung durch die Kolbenstange
soweit auseinander herausführen lassen, daß sich zwischen den freien Enden der Vollabyrinthdichtun@selemente
ein Schlitz von wählbaren Abmessungen bildet.
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Es wurde gefunden, daß man rnit dem Prinzip der atmenden Vollabyrinthdichtung
gemäß Patent ... (Anmeldung 11 47895 XII/47 f) auch. luftverdichtende Zweitaktverbrennungskraftmaschinen,
insbesondere Dieselmaschinen, dichten kann., wenn.eine Ausführungsform der Volllabyrinthdichtung,
bei der beim Expansionshub die zwischen den habyrinthdichtungselementen vorhandenen
RUume R ver,:"rö2ert werden, gewählt wird und die Vollabyrinthdichtungselemente
im Bereich des unteren Totpunktes des Kolbens unter Bildung eines Scilitzes ausgefahren
werden. Diese?- Schlitz, der die funhtion eine:.- Spälschlitzes erhält, ergibt ei?ie
besonders vorteilhafte Ausführungsart der Steuerung des Ladungswechsels für Zweitaktkolbenmaschinen,die
gemäß Hauptpatent ... (Anmeldung H 47895 X`11/47 _`') gedichtet sind. WUhrend
des Selens, also wenn die iabyrinthdichtungselemente ausgefahren sind, ist eine
Dachtun; des Kolbens ge=°en das Zylindergehäuse ja nicht erforderlich; e entfällt
daher während dieser Zeit auch die Notwendigkeit der Dichtwirkung nach dem Prinzip
der Vol1-labyrinthdi ch-@uig.
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Der während des Ausfahrens der Vollabyrinthdichtungselemente erfolgende
Ladungswechsel kann beispielsweise bei einem Zweitaktdieselmotor j"olgendermaßen
durchgeführt werden: Die vom Kolben getragenen
Vollsbyrinthdichtungselenente
sind im unteren Totpunkt des Kolbens in ihrer Gesamtheit aus allen ihren einzelnen
am Zylinder angeordneten Kammern soweit herausgeführt, daß sich die freien Enden
der Vollabyr inthdichtun;selemente in einer solehen Entfernung gegenüberstehen,
daß sich zwischen den. Enden ein Schlitz bildet,-dessen Öffnungsquerschnitt vom
Kolbenumf.g und dem Abstand der Enden der Vollabyrinthdichtangselemente abhängt.
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Durch diesen so entstandenen Schlitz wird die frische lädungsluft
zur Spüleng des preraes eingeblasen und sie treibt die Abgase in en oich bekannter
beise (Gleichstromspülung) durch ein im Zylinde21"z®pf vorzugsweise zentrisch eingebautes
Auslaßventil in den Aus-
| l.ßL-ala Flach Sp'-'-lung und Iadungswechsel erfolgt die Kompression, |
| die 32ennstoffzufunr und die Zündung im oberen Totpunkt' und
danach |
| dis `@@@@s@.or@ und die Arbeitsleistung des Gases in bekannter
Weise. |
| Auf diese Weise kann m? t den im Hauptpaten -b- dargestellten
Prinzip |
| der atmenden Voll ab"Printhdichtung auch ein Zweitaktverfahren
ver- |
| @pirkli cht werden, das, was den Spülungsvorgang anbetrifft,
die |
| Kerkmale der bekannten aufweist. |
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| Die Vorteile dem erii@ad@.n`,se.. e@awasc'@ v@.e
°een,Aber d:.m im |
| Datent aus7efuhrtet`ü@@@@Äi@Lp@i l i a'e ä z'mächst darisq,
dae |
| das f'inlaßventil Und mein Steuc-rungsgestw ge eintzespadt
werden. |
| ®e°'.--", e%'= ibt sie'.".. wenn die einzelnen Vol-
IabyrinthdichtzseleY-ente |
| dGreurt am Kolben ,-na Zylinder angeordnet sind, daß
sie beim Expanƒ |
| i |
| sio-ABI-II%b des |
| aus ihren zugehöri.°en Kammern herausfahren |
| können, die sehr vorteilhafte Xöglichkeit, daß die Sperr=ase
in den |
| Ka_ern der Voll-.b#; r i u thdichtungselemente parallellaufend
zur Ex- |
| pansion im Verbrennungsraum sich abkühlend expandieren lind
auf Um- |
| gebungsdruck, bzwo Spülluftdruck- koren können, sobald, der
Spül- |
| nach der ALLsfahren der Vollabyrin V--'di.c_^.toLingsei
emente im |
| Bereich des unteren n ^Ya@L (ve@ entstanden is to
Durch diesle |
| sion der Sperrgase in der @o11ab@Tr? n thd.c e@@;@n: während
des -,-,7xpan- |
| sionshubes und die Entspannungsmöglichkeit der Speärgase a,af
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| l'u.'ftdruck wird eine £'go£e äi`@@bi.:äi` Lä den Kla:i..ern.
vermieden. |
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Ferner bestehen die Vorteile des beschriebenen Verfahrens der Ausbildung
eines Sp'Ilschlitzes gegenüber bekannten Zweitaktmotoren darin, daß man hierbei
nicht soviel von der Kolbenhublänge beanspruchen muß wie bei herkömmlichen Motoren,
bei denen die Spülöffnunen längs des Zylinderumfangs durch Stege voneinander getrennt
sein müssen: Die nur geringen Schlitzhöhen bedeuten daher einen Gewinn an der Fläche
des Indikatordiagramms.
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Zudem bietet sich die 1.iögl ichkeit, die Enden der im Betri$b glühenden
Rohrmäntel und den ebenfalls glühenden Kolbenboden durch ;geeignetes Anblasen mit
Spülluft auf einer für den Lauf des Motors günstigen Temperatur zu halten. Dazu
ist es von Nutzen, die am Kolben befestigten Rohrmäntel vorzugsweise in der Höhe
des Kolbenbodens enden zu lassen.
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Die Abbildungen zeigen einen im Querschnit-- dargestellter. Motor
in zg,rei Arbeitsphasen des Zwei takt:verfabrens. Bei ihrer Besprechung sei., der
Zeichnung entsprechend, einfaebheitzhalber von °@Rohrmänteln" gesprochen anütell
e von Vollabyrinthdichtunrsel ementen.
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Fie. 1 zeigt den Kolben des Motors im unteren Totpunkt Fig. 2 zeiät
den Kolben annähernd im oberen Totpunkt.
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Der Notor besteht in seiner äußeren Form aus dem Kurbelgehäuse 1,
dem Zyliiidc;rgehäuse 2, dem das Auslaßventi, 4 enthaltenden Zylinderkopf 3 und
dem Kolben 5. Der Kolben 5 wird von der Kolben-6 in der Führungsbahn 7 genau
geführt. 1r treibt Über den Kre@.zkopf S uni die Pleuelstange 9 die Kurbel 10 -an.
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Am Zylinde.rFYehäuse ` sind mehrere als Dichtungselemente dienende
zylinder f örnii:e Rohrm;.nte1 11 von etwa der axialen Länge, die das Do-pel-'e
des Kolbenhubes ausmacht, befestigt. Diese Rohrmäntel sind dabei in Abständen konzentrisch
zueinander angeordnet. Der Kolben trägt ebenfalls mehrere als Dichtungselemente
dienende zyliaiderförmi -c Rohrmäntel 12, die bei etwa denselben Abmessungen,
| wie sie für die Rohra-.ntel 11 vorgesehen sind, ebenfalls konzen- |
| zrisdh zueinander angeordnet sind derart, daß sie sich bei
der Hub- |
| be:ereun:7 des Kolbens in den am Z-!linder vor;esehenen Rohrmänteln
11 |
| :loch berührunzsfr ei verschieben. Zwischen den Rohrm,;-#ntel
11 des |
| Z;Tlinders lie en die Kurmern 13, zwischen den Rohrmänteln
12 des |
| Kolbens die Ka:::mern 1g,. Vom Ao e:,ib2.ic_: des vintauchens
der Rohr- |
| mäntel von Kolben und Z#li@ad.e: iheinandebilden die
Rohrmäntel 11 |
| und 12 eine die zur. r ä i chtan:M des Arbeits- |
raumes dient. Diese Abdichtung geht berührungsfrei und verschleißfrei
vor sich.
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In Fig. 1 ist der Motor in seiner ersten Arbeitsphase dargestellt.
Hierin sind die vom Kolben getragenen Rohrmäntel 12 im unteren Totpunkt in einer
Stellung gezeigt, in der sie in ihrer Gesamtheit aus allen ihren einzelnen am Zylinder
angeordneten Kammern 13 soweit herausgeführt sind, daß ihre freien Enden von denen
der Rohrmäntel 11 im Abstand h von einander entfernt sind. Durch diese im unteren
Totpunkt charakteristische Zage der Eden der Rohrmäntel 11 und 12 zu-ialder ist
eine Öffnungesehaffen, die auch den Zylinderraum auf vorteilhafte ::eise nach außen
öffnet. Der Öffnungsquerschnitt des Schlitzes ist durch-den Abstand h und den Kolbenumfang
bestimmt. Diese Öffnung wird gemäß der Erfindung zum Spülschlitz gemacht, durch
den die Spülluft in den Zylinder gelangt. Die am Zylindergehäuse 2 beispielsweise
untergebrachten einzelnen Ausgänge 16 des außerhalb der Vollabyrinthdichtung liegenden
Behälters 15 sollen in der Summe ihrer Querschnitte den durch den Abstand h und
den Kolbenumfang festgelegten Öffnungsquerschnitt des Spülschlitzes vorzuk-sweise
nicht unterschreiten.
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Die Spülluft strömt mit einem gewissen Überdruck aus dem Behälter
15 ( in Figo1 und 2 ist dieser beispielsweise rings um das Zylindergehäuse gelegt
) in den Zylinder und treibt die expandierten Abgase in der gemäß Fig.1 durch Pfeile
angedeuteten Spiilstrromrichtung durch das geöffnete Auslaßventil 4 in den Auslaßkanal
17. Nachdem nach der Ausspülung der Abgase das Auslaßventil 4 geschlossen worden
ist, kann sich der Zylinder vorzugsweise mit frischer Luft weiter füllen. Hiernach
ist die erste Arbeitsphase des Motors beendet.
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Es beginnt jetzt die in Fig.2 dargestellte zweite Arbeitsphase damit,
daß der Kolben 5 in den Zylinderraum hineinbewe-'t wird und die darin eingeschlossene
Luft komprimiert wird. Gleichzeitig führt der Kolben 5 die Rohrmäntel 12 in die
Kammern 13 hinein und bringt die darin befindlichen Gase entsprechend den geometrischen
Abmessungen der Kammern ebenfalls auf hohen Druck, der als Sperrdruck die Dichtwirkung
der Labyrinthdichtung erhöht. Im Augenblick des 9`intauchens der Rohrmäntel ineinander
übernehmen diese die Funktion der Abdichtung des Zylinderinnenraumes.
Nach
der Kompression erfolgt im oberen Totpunkt die Zufuhr des Brennstoffes in den heißen
Zylinderinnenraum durch ein in den fit->. 1 und 2 nicht eingezeichnetes Einspritzventil.
Nach der Verbrennung expandieren die Gase und leisten dabei Arbeit. Sobald der Schlitz
freigegeben wird, kann die in Fig. 1 beschriebene Arbeitsphase von neuem beginnen.