DE3232046A1 - Maschine, insbesondere verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Maschine, insbesondere Verbrennungs-
• kraftmaschine, die mit einem in einem Gehäuse untergebrachten @r.
• kolben arbeitet, wobei dem eine zylindrische Grundform auf@eis@nden Drehkolben ein zweiter gleichartiger, als Ladepumpe wirken@er Drehko ben zugeordnet ist, wobei ferner jeder d@r gegensinnig zueinander umlaufenden Kolben über 180° einen gegenüber dem Grunddurchmesser verringerten Durchmesser aufweist und die Kolben derart gelagert sind, daß sie nach Art der Zahnräder einer Zahnradpumpe ineinanderfassen und daurch im Zusammenwirken mit dem Gehäuse sich verändernde Ansaug-, Kompressions-, Expansions- und Ausstoßräume bilden.
• Derartige Maschinen, die beispielsweise durch die DE-OS @0 21 777 bekannt geworden sind, weisen den Nachteil auf, daß die miteinander in Eingriff kommenden Stirnseiten der Dr@hkolben ebenfläch@ ausgebildet sind, was zur Folge hat, daß sich die Kolben beim Drehen gegenseitig blockieren, da die ebenflachige @usgestaltung der Stirnseiten das erforderliche Unterschneiden der Kolbennasen nicht zuläßt.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ees Unterschneide der Kolbennasen durch eine entsprechende Krüm@ung d@r Kolbenstir seiten zu ermöglichen.
• Zum besseren Verständnis der nachfolgenden Darlegungen @ir@ @@f Dis @eichnung@n, insbesonders die Fig. 1 bis 3 verwies@n.
• Fig. 1 zeigt schematisch einen Kolben und Fig. 2 zwei im Eingriff stehande kolben nach der DE-OS 20 21 777.
• Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Kolbens, Fig. 4 eine Maschine im Längsschnitt und Fig. 5 eine ueitere Maschine im Querschnitt.
• In den Fig. 1 und 2 werden die Stirnseiten des Kolbens 5 mit 1 uns die Oberk ntsn das Ko@bens 5 als Nasen mit 2 bezeichnet. Der Radius R ist hierbei der Radius des Grundformdurchmessers und r der Radius des verringerten Kolbendurchmessers.
• Die erforderliche Krümmung or Stirnseite 1 ist durch die Sedingung gegeben, daß die Nase 2'des zweiten Kolbens 5' diese Stirnseite inner (nahezu) berührt, d.h. die Gleichung der Stirnseite 1 ist lurch die Or@sgleichung der Nase 2 des zweiten Kolbens 5' bei der Drehung gegeben.
• Liegen die Kolben, tie in dem in Fig. 2 dargestellten komplexen @oordinat@nsystem, so gilt für die Bewegung des Mittelpunktes 4 des Kolbens 5 in Drahrichtung 3 um den Punkt 6 folgende Gleichung: Z(#) = (R+r) E(#) -r = (R+r)cos# + i(R+r)sin# - r (I) R+r mit 0 # # # arccos , da für andere Winkel #kein Unterschneiden 2R stattfindet.
• Die Bewegung der Nase 2 des Kolbens 5 in Drehrichtung 7 um den Punkt 4 ergibt sich zu Z(#) = R E(#) = R E(2# + #) = -Rcos2# - iRsin2# (II) und damit durch Superposition für die Gesamtbewegung Z(#) = (R+r)cos# - Rcos2# - r + i(R+r)sin# - iRsin2# (III) Wird nun cos # als Parameter durch t ersetzt, so gilt, da O Eingesetzt in (III) führt dies auf folgende Gleichung: Dies ist eine Parameterdarstellung der Kurve an der Kolbenstirnseite, wenn dieser Kolben durch eine senkrechte Parallelprojekti nach Art der Fig. 2 in eine geeignete komplexe Zahlenebene abgebildet wird. Diese Krümmung ist an allen vier Kolbenstirnseiten den Anforderungen an die Genauigkeit entsprechend einzuhelte, @i sich für r:R = 2:3 ergebende Form ist in Fig. 3 beispielsweise dargestellt.
• Die Lösung der eingangs gestellten Aufgabe erfolgt demgemäß @it den im Anspruch 1 festgelegten Merkmalen.
• Die Erfindung befaßt sich fermer mit dem Problem die nicht @ünschenswerte einseitige Belastung der Maschine durch eins@itige Verteilung @er Kolben als Verdichter- bzw. Expansionskolben zu vermeiden. Dieses Problem läßt sich auf einfachste Weise dadurch l@sen, daß nuf jeder Kurbelwelle sowohl Verdichter- als auch Expansionskolben angeordnet werden. In Fig. 4 ist dies beispisisweise veransch@ulicht: Die Maschine besteht aus einem Paar Verdichterkolben 9, 10 und einem Paar Expansionskolben 11, 12 sowie den sonstigen Einrichtungen, wie Zahnräder 13, 14, Kurbelwellen 15, 16 und Gehäusen 17, 18 analog der bekannten Maschine nach der DE-OS 20 21 777. Jeder Kolben besitzt einen Ansaug- und einen Staubereich, wobei aber hier nicht der Staubereich des Kolbens 9 über einen Überströmkanal mit dem Ansaugbereich des Kolbens 10 verbunden ist, sondern die Staubereiche der Kolben 9, 10 sind über zwei getrsnnte Überströmkanäle 19, 2G mit den Ånsaugbereichen der Kolben 11, 12 verbunden. Es ist natürlich auch möglich den Bereich der Verdichter 21 mit dem Bereich der Entspanner 22 über einen zentralen Überströmkanal odar Brenn-Kammer zu verbinden.
• Die Arbeitsweise der maschine, die derjenigen der Maschine nach der DE-OS 20 21 777 entspricht besitzt erhebliche Vorteile: 1. Die mechanische Belastung ist gleichmäßiger.
• 2. Die thermische Belastung ist günstiger durch Trennung ces kühlen Bereichs der Verdichter 21 vom hei3en Bereich der Entspanner 22, d.h. es treten geringere Wärmespannungen auf Es ist ferner denkbar, daß mehrere Expansionskolbenpaare einem Verdichterkolbenpaar entsprechen, d.h., daß z.B. zwei Verdichterpaare und drei Expansionspaare vorhanden sind. Außerdem erscheint ine einzige (größere) Brennkammer anstelle der vielen kleinen möglich, in die alle Verdichter Gas pumpen und alle Entspannen daraus verdichtetes und u.U. verbranntes Gas zur Expa-nsion entnehmen.
• Die Erfindung befaßt sich ferner mit dem Problem er Schmierung, das insbesondere bei Kreiskolbenmotoren große Schwierigkeiten aufwirft. Erfindungsgemäß wird nun der Vorchlag gemacht die Schmier-Einrichtungen -und -Maßnahmen wegfallen zu lassen und statt dessen zwischen den Kolben untereinander und dem Gehäuse einen hinr ichend bemessenen, die Dichtung noch gewährleistenden Abstand vorzusehen.
• Dieser Abstand 23, der in der Fig. 5 zu erkennen ist, sorct dafLr, daß keine Reibung stattfindet und trotzdem der Gasverlust durch Überströmen unter hohem Druck stehender Gase hinreichend klein bleibt.
• Insgesamt bestehen die Vorteile der Maschine nach der Erfindung ear daß erst die Krümmung eer Kolbenstirnseiten einerseits ein Unterschneiden der Kolbennasen und sorbit eine einu-ndqreie Funktion @r maschine ermöglicht und andererseits Tür eine hinreichende Abdichtung sorgt.
• Desgleichen beuirkt die Hintereinanderschaltung ier Verdichter- und Exapsnionskolbenpaare eine weitere Verbesserung der Laufruhe und des Verschleißes.
• Schließlich ermöglicht der Fortfall der herkömmlichen Schmierungseinrichtungen und -Maßnahmen sehr hohe Arbeitstemperaturen und @omit (u.U. in Verbindung mit anderen Einrichtungen) einen hohen Wirkungsgrad.
• Es hat sich gezeigt, daß die spitz zuaufende Kolbennase 2, 2' aus Abnützungsgründen ungünstig erscheint, da schon eine sehr geringe Abnützung von Bruchteilen eines Millimeters bereits erhebliche Überströmverluste zur Folge hat. Dieses Problem kann durch abrunden der Kolbennase gelöst werden, wobei die Abrundung 2'' (Fig.3) der Krümmung der Kolbenstirnseite 1, 1' amgepaßt ist, d.h. von der Kolbennase wird ein kleines Stück abgeschnitten. In der mathematischen Darstellung ist diesss "Abschneiden" gleichbedeutend mit einer Phasenverschiebung der Eigenrotation des Kolbens 5, 5' in der Gleichung V um - Cr. Es ergibt sich daher folgende Gleichung der Kolbenstirnseite, wobei der Winkel # begrenzt wird von der Mittelpunktslinie, die durch die Eck der Radien R u. r geht und von der Tangente an die Kurve der Kolbenstirnseite.
• Mit der B@dingung # = 0 werden sämtliche Formen der Kolbenstirnseite erfaßt, abhängig von der Größe des Parameters#, der die Länge der abgerundeten Kolbennase angibt. Für # = O eribt sich die spitze Form der Kolbennase Ist# # 0, so beginnt die Unterschneidung erst weiter in Richtung K@ bennase, wie für # = 0. Für das zwischen Re(Z) = 0 (Fig. 2) und dem Ort des Unterschneidunsbeginns kann daher eine beliebige, die Dre hung nicht blockierende Form gewählt werden, vorzugsweise eine Cerade, wegen der leichteren Herstellung, odgr eine Aussparung zum Überströmen des nicht verdrängbaren Restgases.
• Pn die durch die Gleichung VX festgelegte Kolbenstirnseite schließ sich in Richtung Kolbennase die Abrundung an, die bis um den Mitte punktswinkel# nach unten reicht.
• Die abgerundete Kolbennase soll an der Stirnseite des zweiten Kolbens (nahezu) abdichtend anliegen. Daher ist ihre Krümmung so zu wählen, wie die Krümmung der Kolbenstirnseite des zweiten Kolbens über die Länge der Kolbennase maximal ist. Damit wird einerseits ß Blockieren verhindert und andererseits für eine maximale Abdichtun gesorgt.
• Herleitung der Gleichung VI: Z(#) = (R+r)E (#) - r = (R+r) cos# + i(R+r) sin# -r VII Z(#';#) = RE(#'-#) = RE (2# + -#) = Rcos(2# +# -#) + iRsin (2# +# -#) VIII = R (-cos2 # cos# - sin2# sin#-isin2# cos # + icos2 # sin#) Die Gleichungen VII und VIII ergeben zusammen: Z(#;#) = Rcos# + rcos # +iRsin# + irsin# - r - Rcos2# cos# -Rsin 2 # sin # - iRsin 2# cos# + iRcos 2 # sin# = Gleichung VI.
• Leerseite

Claims (7)

1. Maschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine.

   P a t e n t a n s p r ü c h e : 1. Maschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, die mit einem in einem Gehäuse untergebrachten Drehkolben arbeitet, wobei @em eine zylindrische Grundform aufweisenden Drehkolben ein zweiter gleichartiger, als La@epumpe wirkander Drehkolb@n zugeordnet ist, wobei ferner jeder der gegensinnig zueinander uml@ufenden Ko@ben über 180° einen gegenüber dem Grundformdurchmesser verringerten Durchmesser aufweist und die Kolben @eart gelagert sind, daß sie nch Art der Zahnräder einer Zahnradpumpe meinanderfassen und dadurch im Zusammenwirken mit dem Gehäuse sich verändernde Ansaug-, Kompressions-, Expansions- und Ausstoßräume bilden, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Stirnseite (1) eines Kolbens (5) so kurvenfcrmig ausgebildet ist, daß jede Nase (2') des andereh Kolbens (5') an der entsprechenden Stirnseite (1) des einen Kolbens (5) eine Unterschneidung ausführen kann, wobei eine der möglichen Darstellungen der Kurve durch die Gleichung gegeben ist, wobei R der Radius des Grundformdurchrnessers, r der Radius des verringerten Durchmessers und t der Parameter bedeutet.
2. 2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Urdichter- (9, 10) und Expansionskolbenpaere (11, 12) vnrzugsweise auf denselben zwei Kurbelwellen (15, 16) hintereinan£iergeschaltet sind.
3. 3. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter (21) über die stauseitigen Öffnungen in @e.

   trennte Überströmkanäle (19, 20) bzw. Brannkammern münden.
4. 4. Maschine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichter (21) über die stauseitigen Öffnungen in einen zentralen Überströmkanal oder eine zentrale Brennkammer münden.
5. @. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspanner (22) mit den getrennten oder zentralen Brennkammern bzw. Überströmkanälen (19, 20)über deren ansaugseitigen Öffnungen, zum Entnehmen von uas u.U. nach Verbrennen van Kraftstoff, verbunden sind.
6. 6. Maschine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Vermeidung etwaiger Schmier-Einrichtungen bzw.-Maßnahmen zeischen den Kolben untereinander und dem Gehäuse ein hinreichend bemessener, die Dichtung noch gewährleistender Ab-@tand (23) vorhanden ist.
7. 7. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nasen (2, 2') uer Kolben (5, 5') abgerundet sind, wobei die Kurve der Kolt@nstirnseiten (1, 1') durch die Gleichung gegeben ist, wobei der Winkel # der Winkel zwischen der durch die Ecke zwischen den Radien R u. r verlaufenden Linie und der Tangente an die Kurve der jeweiligen Kolbenstirnseite (1, 1') ist.