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Drehkolbenbrennkraftmaschine Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenbrennkraftmaschinen
mit nur einem Schieberkolben, einer' exzentrisch gelagerten Kolbentrommel, die durch
eine Zylindernuß gelenkig mit dem Schieberkolben verbunden ist, und mit einem sichelförmigen
Arbeitsraum, der durch zwei seitliche Deckscheiben abgeschlossen ist. Auch wird
als Vorverdichter eine Maschine derselben Bauart verwandt.
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Bei bekannten Drehkolbenmaschinen gibt es mehrere Bauarten, die alle
bestimmte Mängel aufweisen, die zum Verständnis der Vorzüge dieser Erfindung kurz
dargelegt werden.
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Es sind Drehkolbenmaschinen mit mehreren radial gerichteten Kolben
bekannt, die in Schlitzen der Kolbentrommel gelagert sind und deren Fliehkraft durch
Abstützringe oder eine Abstütztrommel abgefangen wird. Bei diesen geht der Kraftfluß
von den Kolben über die Kolbentrommel auf die Antriebswelle oder umgekehrt. Dabei
ergibt sich der Nachteil im Vorhandensein einer Relativbewegung der Kolben zu den
Abstützorganen und wegen der geringen Auflagerflächen der Kolben auf diesen Abstützorganen
ein hoher Flächendruck, somit große Reibung und geringe Dichtflächen. Aber auch
Spaltverluste entstehen dadurch, daß diese Abstützringe bzw. Abstützelemente im
ruhenden Gehäuse mit axialem und radialem Spiel eingesetzt werden müssen, um die
Wärmedehnung dieser Bauteile im Betrieb gegen das kühle Gehäuse zu ermöglichen.
Eine andere Bauart zeigt mehrere radial gerichtete, starr mit einer Abstütztrommel
verbundene Kolben, bei welcher der Kraftfluß, ohne über gleitende Teile zu gehen,
unmittelbar auf die Triebwelle weitergeleitet wird. Da gibt sich wiederum ein Mangel
zu erkennen durch die große Verwicklung der exzentrisch gelagerten Kolbentrommel
mit ihren vielen Gelenken und schwingenden Teilen. Dadurch werden die Dichtungsflächen
wieder bedeutend vermehrt; auch ist auf die radiale Wärmedehnung der Kolbentrommel
keine Rücksicht genommen.
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Eine dritte Bauart zeigt die Verwendung nur eines Kolbens, der zwecks
Abdichtung, Kraftübertragung und Aufhebung der Fliehkraft starr mit zwei seitlichen
Dichtungsscheiben verbunden ist, wovon die eine auf der Triebwelle aufgekeilt ist.
Diese Bauart ist auch nicht frei von Mängeln. So bereitet die Abdichtung der beiden
seitlichen Dichtungsscheiben gegen das. ruhende Gehäuse Schwierigkeiten. Ebenso
gleitet der schmale Kolben am Zylinder des ruhenden Gehäuses entlang. Dadurch entstehen
leicht Spaltverluste daselbst. Auch ist hier keine Möglichkeit einer freien Wärmedehnung
im Betrieb gegeben.
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Bei einer bekanntgewordenen Drehkolbenbrennkraftmaschine wird die
Kraft von dem Widerlager über das laufende Gehäuse nach einer Seite zu abgenommen,
während die ortsfeste Exzenterwelle für die Lagerung der beiden
exzentrisch
gelagerten umlaufenden Kolben von der anderen Seite hereinragt. Bei dieser Bauart
bildet das außen umlaufende Gehäuse ein fliegend gelagertes Aggregat, in das die
ebenfalls frei stehende ortsfeste Exzenterwelle hineingeführt ist. Dabei geht der
Kraftfluß nur über starr verbindende Glieder. Jedoch kann die Wärmedehnung des umlaufenden
Gehäuses nur von dessen Lager auf der Abtriebseite zur ortsfesten Exzenterwelle
hin erfolgen, also entgegen der Wärmedehnung der besagten Exzenterwelle. Dies gibt
doppelte Dehnungswege und verursachtKlemmen der umlaufenden Bauteile und der Lager.
Der üb.erströmkanal vom Vorverdichter zur eigentlichen Brennkraftmaschine wird durch
die Bewegung der exzentrisch gelagerten Kolben an der die beiden Arbeitsräume trennenden,
vom Kanal durchbrochenen Mittelwand vorbeigesteuert. Es ergeben sich dabei Spaltverluste
zwischen den Scheiben und der Mittelwand, da zwischen diesen ein Wärmedehnungsspiel
als zweckmäßig angenommen wurde, was ja auch aus den zur Dichtung eingesetzten Dichtungsringen
hervorgeht. Da nun diese Dichtungsringe sich innerhalb des Überströmkanals befinden,
so kann das verdichtete Gas, wenn es gehindert ist, leicht längs dieses ringförmigen
Spaltes über die Berührungsstellen der Scheiben mit dem Gehäusezylinder in den Ansaugraum
bzw. Auspuffraum übertreten. Diese Art der Steuerung der Ladungsüberschiebung ist
sehr verlustreich bei höheren Drücken; denn sie wird normal nur zur Spülung und
Aufladung des Brennraumes bei Zweitaktmaschinen verwandt. Hier soll aber die Ladung,
unter vollem Verdichtungsenddruck stehend, in den Brennraum übergeschoben werden.
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Durch die starre Lagerung der ortsfesten Exzenterwelle wird auch die
Lagerung der umlaufenden Kolben auf der Welle unveränderlich. Da nun die Kolben,
weil im Innern liegend, schlechter gekühlt werden, dehnen sich diese in radialer
Richtung stärker aus als das umlaufende Gehäuse. Im Betrieb wird dies bald zu einem
Fressen der Kolben auf dem Umfang des Gehäusezylinders führen. Um diesen Mangel
zu umgehen, müßte man ein größeres Spiel zwischen Gehäusezylinder und Kolben zulassen,
was aber der Forderung nach Gasdichtheit widerspricht. Dies ist ein Mangel der angegebenen
Maschine, der mit dieser Bauart nicht zu beseitigen ist.
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Die Mängel beim Bekannten sind demnach im wesentlichen: behinderte
axiale -und radiale Wärmedehnung, dadurch schlechte Abdichtungsmöglichkeiten zwischen
den einzelnen Arbeitsräumen; langer überströmkanal, daher größerer Totraum; langer
Kraftfluß über äußeres Gehäuse zur Triebwelle und von einem Widerlager zum versetzten
anderen; fliegende Anordnung der umlaufenden Teile bzw. der ruhenden Exzenterweile,
daher Lagerungenauigkeiten.
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" Die Erfindung vereinigt nun alle die Vorzüge der genannten Drehkolbenmaschinen,
ohne jedoch deren aufgezeigte Mängel zu besitzen, und bringt noch einige zusätzliche
wesentliche Neuerungen. Die Verbindung der bekannten Bauteile allein zu einer neuen,
vollkommeneren Drehkolbenbrennkraftmaschine würde zu einer noch nicht genügend betriebsfähigen
',Maschine führen und auf die auftretenden Wärmeverhältnisse keine Rücksicht nehmen.
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Das Wesentliche der Erfindung besteht darin, daß bei Verwendung dieser
Bauart einer Drehkolbenmaschine als Brennkraftmaschine der Verdichter und der Verbrennungsteil
als gegenseitiges Spiegelbild ausgebildet sind und beiderseits einer gemeinsamen,
auf der Triebwelle aufgekeilten Mittelwand 9 miteinander zusammenhängen, wobei jeder
Maschinenteil aus einem Zylindermantel und daran befestigten, durch die Zylinderruß
mit der exzentrisch gelagerten Kolbentrommel in beweglicher Verbindung stehenden,
zu beiden Seiten der Mittelwand unversetzt nebeneinanderliegenden Kolben besteht,
die sowohl an der Mittelwand als auch an den Stirnwänden gasdicht abgedichtet und
starr mit--diesen Teilen verbunden sind, während das aus Verdichter und Verbrennungsteil
bestehende Aggregat im Maschinengehäuse derart angeordnet ist, daß es sich -sowohl
radial als auch axial ausdehnen kann und zwischen Zylindermantel und Gehäusemantel
eine Labyrinthdichtung aufweist. Durch diese bauliche Gestaltung vermeidet die Erfindung
die vorhin angeführten Mängel des bisher Bekannten, indem diesen Bauteilen durch
die zentrale Lagerung des umlaufenden Aggregates im Gehäuse und durch die Halbierung
des Aggregates durch die Mittelwand in zwei symmetrische, spiegelbildliche Bauteile
nach dem Umfang und den Seiten eine frei Wärmeausdehnungsmäglichkeit gestattet wird.
Auch wird der Kraftfluß durch die unversetzte Lage der beiden Kolben beiderseits
der kraftübertragenden Mittelwand zueinander und zur Triebwelle am kürzesten. Durch
die beiderseitige axial verschiebliche Lagerung des Aggregates auf den Lagerzapfen
wird eine bestimmte, schwingungsfreie Lagerung desselben im Gehäuse erzielt.
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Wollte man zu dieser nun festgelegten Bauweise die notwendigen zusätzlichen
Einrichtungen für den Verbrennungsbetrieb auf dem bisher bekannten Weg anbringen,
so hätte man mit unüberwindlichen Schwierigkeiten zu kämpfen. So ist es unmöglich,
von
außen durch eine Gelenkverbindung ö. dgl. den Brennstoff nach
dem umlaufenden Arbeitsraum mit hohem Druck verlustlos in kürzester Zeit zu fördern.
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Nun aber ist durch die unversetzte Lage der Kolben eine Verlegung
des Überströmkanals in die Kolbentrommeln (und die Mittelwand und die Steuerung
durch die gegenseitige Lagenänderung der in Frage kom= menden Teile auf ,dem bisher
bekannten Weg unmöglich. Der neue Weg, den die Erfindung zeigt, führt zur Verlegung
.des Überströmkanals auf der kürzesten Strecke innerhalb der unversetzten Kolben
und läßt diesen durch Steuerschieber, die durch die Relativbewegung der Kolben zu
den Kolbentrommeln bzw. Zylindernüssen zur Wirkung kommen, steuern. Dadurch erreicht
.man einen sehr kleinen Raum des Kanals und gute Dichtheit der Schieber.
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Da nun nach der Erfindung auch die Kraftabnahme an der zentralen Mittelwand
erfolgt, müssen die Exzenterlager der Kolbentrömmeln hohl gebohrt sein, um die Triebwelle
hindurchtreten zu lassen. Sie müssen nun auch von beiden Seiten nach der Mittelwand
in .das Aggregat hineinreichen, um den Kolbentrommeln als Lager zu dienen. Um nun
die größere radiale Ausdehnung der Kolbentrommeln auszugleichen, müßte man die Exzenterlager
derselben verschiebbar gestalten. Dies wäre nur mit Gleitbahnen der Exzenterla,ger
im Gehäuse möglich. Dies ist aber technisch sehr umständlich und läßt die Lagerung
der Kolbentrommel immer ungenauer werden. Die Lagerung derselben muß aber im Gegenteil
sehr genau erfolgen, weil sie sich auf ihrem Umfang mit dem Zylindermantel fast
berühren soll und auch bei seitlicher Verbiegung die darauf ,gelagerte Kolbentrommel
an der Mittelwand und der seitlichen Deckscheibe sofort anecken würde.
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Nach der Erfindung ist die einfachste Lösung die, daß die hohlen Exzenterbolzen
der Kolbentrommeln selbst in sich wieder eine exzentrische Kröpfung haben worauf
erst die Kolbentrommeln laufen und in ihrer festen Lagerung im Gehäusedeckel -drehbar
gelagert werden. Um die verschiedene radiale Wärmedehnung der Kolbentrommeln gegen
den Zylindermantel immer einwandfrei selbsttätig sicherzustellen, wird dieser hohle
Lagerzapfen mit einem Hebel gegen einen Thermostaten abgestützt, der von den betreffenden
Wärmeträgern umspült wird oder umgeben ist.
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Somit hat eine grundsätzliche Änderung des Gesamtaufbaues und der
Kraftabnahme einzelne Mängel der bekannten Maschinen beseitigt und bei den noch
verbleibenden zu sinnfälligen Lösungen geführt, die nur aus den Bedingungen der
ersten Änderung, also entsprechend der Erfindungsidee; sinngemäß entstehen mußten.
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Durch das Vorhandensein der Thermostaten mußte auch eine dauernde
Temperaturbeeinflussung derselben Hand in Hand gehen, die durch die schraubenförmigen
Kühlkanäle bei Drehung gegenüber dem gasförmigen Wärmeträger bewirkt wird.
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Bei Betrieb der Maschine nachdem Dieselprinzip wird die Brennstoffpumpe
in den unversetzten Kolben verlegt, dadurch die Hochdruckleitung zur Düse auf ein
Mindestmaß verkürzt und die Möglichkeit einer allseitig starren, dichten, ruhenden
Rohrverbindung von Brennstoffpumpe zur Düse geschaffen. Jetzt wird durch die hohle
Triebwelle nur Brennstoff zugeführt, ohne unter Druck zu sein, was ohne Verluste
möglich ist.
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Diese Drehkolbenbrennkraftmaschine besteht aus zwei gleichen Teilen,
die zueinander wie Bild zu Spiegelbild sind, und kann bei Trennung durch ihre kraftübertragende
Mittelwand 9 in eine einfach wirkende Drehkolbenmaschine verwandelt werden.
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Die Erfindung ist in den Abbildungen beispielsweise dargestellt.
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Abb. i und 2 zeigen Schnitte normal zur Triebwelle der Maschine.
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Abb. i zeigt einen Schnitt durch den Verdichter nach Linie A-A der
Abb. 3.
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Abb.2 zeigt einen Schnitt durch den Verbrennungsteil nach Linie C-C
der Abb. 3. Abb. 3 zeigt den Verdichter und den Verbrennungsteil in Richtung der
Triebwelle nach Linie B-B ider Abb. i und 2 geschnitten, wobei der linke Teil den
Vorverdichter, der rechte den Verbrennungsteil ,darstellt.
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Abb. q. und 5 sind Schnitte nach den Linien D-D und E-E ,der Abb.
3 mit Ansicht gegen die Gehäusedeckel und zeigen die Feineinstellungsvorrichtung
des Kolbentrommellagers durch die Thermostaten.
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Abb.6 und 7 zeigen die beiden Schieberkolben mit den Steuerschiebern
und dem Überströmkanal und der Brennstoffeinspritzpumpe und Düse bzw. Zündeinrichtung.
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Die Maschine besteht aus dem Gehäusemantel i, der zu beiden Seiten
durch die zwei Gehäusedeckel 2, 3 verschlossen ist. Auf diese beiden Gehäusedeckel
sind noch die Verschlußdeckel q.; 5 mit den Lagern 6, 7 für die Triebwelle 8 befestigt.
Auf der Triebwelle 8 ist die Mittelwand 9 aufgekeilt. Diese ist aii ihrem Umfang
mit dem Zylindermantel io und daran anschließend zu beiden Seiten mit den beiden
gegeneinander nicht versetzten (Schieber-) Kolben 1i, 12 und den seitlichen Stirnscheiben
13, 1q. starr und .gasdicht verbunden. Der Zylindermantel io trägt schraubenförmige
Kühlkanäle 15 und der Teil des Zylindermantels im Verbrennungsteil noch die
Auspufföffnung
16. Durch die schraubenförmige Gestaltung der Kühlkanäle wird das Kühlmittel ohne
zusätzliche Einrichtungen bei der Drehung weiterbefördert. In der Ebene der Mittelwand
9 ist auf dem Zylindermantel io eine Labyrinthdichtung 17 zwischen diesem und dem
Gehäusemantel i vorgesehen, um ein Vermischen der reinen Ansaugluft mit den Abgasen
zu vermeiden. Im Gehäusemantel i befindet sich der Ansaugstutzen 18 und der Auspuffstutzen
i9. Die beiden Stirnwände 13, 14 sind auf den zur Triebwelle 8 zentrischen Zapfen
20, 21 in den Gehäusedeckeln 2, 3 gelagert. Die exzentrisch gelagerte KOlbentromnlel22
des Verdichters läuft auf einem als Hohlkörper ausgebildeten Exzenterlager, welches
aus zwei zueinander versetzten Zylindern 23, 24 besteht, wovon der eine, 23, die
Kolbentrommel 22 trägt, während der andere Teil24 selbst exzentrisch zur Triebwelle
8 in der Gehäusestirnwand 2 drehbar gelagert ist. Die gleiche Lagerung weist die
Kolbentrommel 25 des Verbrennungsteiles auf. Dort ist die Kolbentrommel 25 auf dem
Exzenterlager 26, 27 in dem Gehäusedeckel 3 drehbar gelagert.
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Die beiden Kolbentrommeln 22, 25 sind durch Zylindernüsse 28, 29 mit
den Kolben 11, 12 gelenkig verbunden. Die Stirnwand 13 des Verdichters besitzt C)ffnungen
3o, die Kolbentrommel 22 und die Zylindernuß 28 einen ungefähr radialen Kanal
31, wodurch der Verdichter Luft in seinen sichelförmigen Arbeitsraum saugt.
In den beiden Kolben i i, 12 befindet sich ein gemeinsamer Überströmkanal 32 vom
Verdichter zum Verbrennungsteil, der durch Schieber 33, 34 zwangsläufig geöffnet
und geschlossen wird,welche wiederum auf den zugehörigen Zylindernüssen 28, 29 befestigt
sind. In den Kolben 11, 12 befinden sich noch die Brennstoffpumpe 35, die Brennstoff
druckleitung 36, die Düse 38 und die Rückschlagventile 37, 39. In der Welle 8 und
in der Mittelwand 9 läuft die Brennstoffzuführungsleitung 40. An Stelle der Düse
38 kann auch eine Zündeinrichtung eingebaut werden, wenn der Verdichter fertiges
Frischgasgemisch ansaugt.
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Die Exzenterlager 23, 26 der Kolbentrommeln 22, 25 sind mit ihren
Hebelarmen 41, 42 mit den in den Gehäusestirnwänden 2, 3 gelagerten Teilen 24, 27
und den Thermostaten 43, 44 mit zugehörigen Stellschrauben 45, 46 kraftschlüssig
verbunden. Mit Hilfe der Stellschrauben 45, 46 wird das Spiel zwischen .den Kolbentrommeln
22, 25 und dem Zylindermäntel io in kaltem, Zustand ein für allemal eingestellt.
Die Regelung, d. h. die Gleichhaltung dieses Spieles zwischen den Kolbentrommeln
22, 25 und dem Zylindermantel io, bewirkt dann selbsttätig. der zugeordnete Thermostat,
der von den Frischb.zw. Abgasen umspült und von der Strahlungswärme beeinflußt wird.
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Die Wirkungsweise der Drehkolbendieselmaschine ist folgende: Der Verdichter
saugt durch den Ansaugstutzen 18, die Löcher 30 und den Kanal 31 die Verbrennungsluft
bei einer Umdrehung in seinen Arbeitsraum. -Bei der nächsten Umdrehung wird wiederum
angesaugt und die vorher angesaugte Luft verdichtet und im geeigneten Augenblick
durch Steuerschieber 33 in den Überströmkana132 und von da durch den Steuerschieber
34 an der Düse 38 vorbei in den Brennraum gedrückt. Während des Überströmens der
Verbrennungsluft wird der Brennstoff im Gegenstrom eingespritzt. Nun schließen die
Steuerschieber 33, 34. Die verbrannten Gase treiben den Kolben 12 und mit ihm das
gesamte Aggregat, bestehend aus Verdichter und Verbrennungsteil und Triebwelle 8,
in der Bewegungsrichtung herum. Die Abgase strömen durch den Auspuff 16 und den
Auspuffstutzen i9 ins Freie. Dieses Spiel, Ansaugen, Verdichten, Überströmen, Arbeitsleistung
und Auspuff, wiederholt sich bei jeder Umdrehung.