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Drehkolbenmaschine Die Maschiine bezieht sich auf eine als Verdichter
oder Kraftmaschine bekannte Drehkolbenmaschine mit an der Kolbentrommel drehbar
befestigter Kolbenschwinge, bei der die Kolbentrommel in einem runden oder unr-unden
Zvlinder zentrisch um eine zur gedachten Zylinderachse exzentrisch angeordnete Achse
rotiert.
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Bei diesen -Drehkolben:maschinen entstanden bisher durch schädlichen
Raum (Totraum) bei Verwendung als Kraftmaschinen insbesondere durch Drosselung ,sowie
durch ungenügende Abdichtung erhebliche Verluste, die ihre praktische VeTWendbarkeit
teils stark einschränkten, teils überhaupt ausschlossen.
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Beispielsweise muß der pulsierende Arbeitsraum bei periodisch arbeitenden
Verdichtern zeitweise mit einem Druckspeicher ,in Verbindung treten bzw. von diesem
abgesperrt werden. Dies erfolgt durch selbsttätige oder gesteuerte Ventile oder
andere Steuerorgane. Alle Druckräume auf der dem pulsierenden Arbeitsraum (Kompressionsraum)
zugewandten Seite des Steuerorgans, welche im Verlauf der Verdichtung bis zum Schließen
des Steuerorgans nicht verdrängt sind, stellen Toträume dar. Ihr Gasinhalt nimmt
zwar Verdichtungsarbeit auf, wird aber nicht, wie es sein müßte, in den Druckspeicher
übergeschoben. Bei Drehkolbenmaschnnen der hier angeführten Bauart, welche keinen
hin und her gehenden Kolben besitzen, kann der Totrauminhalt die gespeicherte Verdichtungsarbeit
an den zurückgehenden Kolben nicht wieder abgeben. Ohne zusätzliche Steuerorgane
tritt er vielmehr nach der
Verdichtung mit dem Ansaugstutzen in
Verbindung und entspannt sich unter Entwicklung verlorener Strömungsenergie und
unter Verdrängung einer entsprechenden Ansaugmenge. Verlust von Energie und Ladung
sind die Folge.
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Ebenso stellen bei Expansionsmaschinen die auf der Arbeitsseite (der
dem Expansionsraum zugewandten Seite) des Steuerorgans befindlichen Räume, welche
beim Beginn der Expansion nicht verdrängt und daher mit Gas niederen Druckes gefüllt
sind, schädlichen Raum dar. Beim Einströmen des Arbeitsstoffes erfolgt ein irreversibler
Druckausgleich, der zwangläufig mit Arbeitsverlust verbunden ist. Außerdem bedingt
das durch den schädlichen Raum vergrößerte Anfangsvolumen ein schlechteres Ausdehnungsverhältnis
und damit eine schlechtere Ausnutzung der Energie des Arbeitsstoffes, da der Druck
am Ende der Expansion, welcher bei Auspuff verloren.geht, hierdurch vergrößert wird.
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Die bisher nicht befriedigend gelöste unzulängliche Abdichtung stellte
im Ergebnis gleichfalls die Verwertbarkeit der Drehkol'benmaschine, insbesondere
bei Anwendung als Kraftmaschine, in Frage. Diese Unzulänglichkeit beruht vor allem
auf umständlichen Steuerungsvorgängen und stärkstem Verschleiß der aneinanderarbeitenden
Teile.
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Erfindungsgemäß werden. die ge.schil,derten Nachteile der bekannten
Konstruktionen durch ein neuartiges System von Steuerungs- und Dichtungsmaßnahmen
behoben.
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i. In erster Linie wird vorgeschlagen, die Zuführung.des Arbeitsstoffes
durch die Seitenwandungen des Zylinders und die Kolbentrommel zu bewirken und den
Vorgang des Ein- und Austrittes des Arbeitsmediums in der Weise zu regeln, daß die
Üffnungender feststehendenTeile mitAussparungen der rotierenden Kolbentrommel zeitweise
in Verbindung treten. Dabei sind die an der Kolbentrommel befestigten Kolbenschwingen
und die daran vorgenommenen Aussparungen für den Ein- und Austritt des Arbeitsstoffes
so gestaltet, daß den Aussparungen einerseits die für die Regelung des Durchflusses
notwendige Form und Ausdehnung gegeben ist, die andererseits so zur Aufnahme der
Schwingen dienen, daß die Aussparungen bei Ende der Verdichtung vollkommen von den
Schwingen ausgefüllt sind. Da die Absperrung des Druckspeichers vom Dichtungsraum
durch die Seitenfläche der Trommel erfolgt, besteht auf der -dem Verdichtungsraum
zugewandten Seite der Absperrung kein schädlicher Raum.
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2. Weiterhin wird zur sicheren Abdichtung der Staueröffnungen vorgeschlagen,
in die Flächen der Kolbentrommel Dichtungsringe, Dichtungsleisten und ähnliche Dichtungsteile
einzulassen, welche die ruhenden Öffnungen zeitweise zu verdecken haben und die
Fläche, die von den ruhenden Öffnungen auf den rotierenden Teilen überstrichen werden,
vollkommen umschließen. Erfindungsgemäß stehen bei diesen Anordnungen die Dichtungsteile
während ihrer Abdichtungsfunktion in Aupreßrichbung nicht unter der Wirkung des
Gasdruckes. Der Anpreßdruck und damit die Reibung kann also klein gehalten werden.
Die Anpressung der Dichtungsteile kann mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch
erfolgen: mechanisch durch Feder, pneumatisch oder hydraulisch, indem, die zur Aufnahme
der Dichtungsteile bestimmten Nuten mit dem Kompressionsraum oder einer ohnehin
vorhandenen Druckölleitung verbunden wenden.
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Als. Beispiel für die Ausführung des Erfindungsgedankens ist im folgenden
eine Brennkrafltmaschine beschrieben, die aus einem Verdichter (kurz der Kompressorseite)
und einer eigentlichen Kraftmaschine (kurz der Arbeitsiseite) besteht, beide verbunden
durch eine beispielsweise Ausführung der oben beschriebenen Steuerung.
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Fig. i stellt einen Axialschnitt, Fig. 2 und 3 stellen Radialschnitte
dar. Aus ihnen sind d ie Dichtungsteile sowie die Lage der Zylinder, Trommeln und
Steuerschlitze zu ersehen; Fib. q. ist eine schematische Abwicklung des Schnittes
E-F, die den Arbeitsvorgang in sechs Phasen mit der jeweils zugehörigen Lage der
Schwingen zeigt.
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Hierzu im einzelnen: Auf einer durchgehenden Welle befinden sich aufgekeilt
die Kolbentrommeln des Verdichters i und der Kraftmaschine 2. Ihre gegenseitige
Lage ist aus dem Vergleich der Fig. 2 und 3 zu ersehen. An den Trommeln ist die
Kompressorschwinge 3 bzw. die Arbeitsschwinge q. angelenkt. Die auf der Rückseite
der Kompressorschwinge angesaugte Friischladung tritt durch den Ansaugstutzen 5
ein. Auspuff aus dem Expansionsr aum der Kraftmaschine erfolgt durch den Auspuffstutzen
6. In der Zwischenwand zwischen Arbeits-und Kompressorseite befindet sich der Überströmkanal.
Dieser :bildet in den Seitenflächen der Zwischenwand den kompres-sor- 2bzw. arbeitsseitigen
Steuerschlitz 7 bzw. B.
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Die Steuerschlitze werden von den Seitenflächen der Trommeln verdeckt
'bzw. von deren Aussparung freigegeben, wodurch dann der Übe-rströmkanal wechselweise
mit Kompressions- oder Expansionsraum verbunden wind.
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Die Aussparungen dienen gleichzeitig zur Aufnahme der Schwingen, wenn
der Schwingenkopf, welcher am Zylinder anliegt, die engste Stelle zwischen Trommeln
und Zylinder erreicht (innere Extremlage).
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Die angesaugte Verbrennungsluft oder das Arbeitsgemisch ,wird zuerst
in den Überströmkanal hineingedrückt und tritt ,dann in den Expansionsraum über.
Der Kanal stellt also das Kompressionsendvolumen dar, ist aber kein Totraum, da
die Absperrung am Ende der Kompression zwischen Kanal und Verdichtungsraum durch
die Seitenflächen der Trommeln erfolgt, wobei erfindungsgemäß der Verdichtungsraum
vor der Absperrung vollkommen verdrängt wird. Ebensaweuig stellt er schädlichen
Raum für die Kraftmaschine dar, da er genügend lange an der Expansion teilnimmt.
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Beidem hier zu beschreibenden Arbeitslauf sollen die von der Drehzahl
abhängigen absoluten Offnungszeiten der Steuerschlitze und die endliche
Strömungsgeschwindigkeit
des Arbeitsstoffes im Kanal nicht in Betracht gezogen werden, so daß der Prozeß
(theoretisch) bis herab zu sehr niedrigen Drehzahlen ablaufen könnte. Hieraus folgt,
daß der Kanal bei keiner Stellung der Trommeln mit Kompressions- und Expansionsraum
gleichzeitig in Verbindung treten darf. Das heißt, der Kanal muß, um Durchströmen
(Ladungsverlust) zu vermeiden, vom Expansionsraum getrennt Nverden, bevor er komprassorseitig
zur Aufnahme neuer Ladung geöffnet wird. Ebenso muß der Kanal kompressorseitig nach
Beendigung der Kompression geschlossen werden, bevor Zündung durch arbeitsseitiges
öffnen zur Expansion erfolgt, um Zurückschlagen der Verbrennung in den Verdichter
zu vermeiden. Notwendige Bedingung hierfür ist, daß die Summe der Winkel, welche
die einzelnen Steuerschlitze und die einzelnen Aussparungen der Trommeln einschließen,
36o° nicht überschreitet. Hierbei kommen die Ausdehnungen der Aussparungen und Schlitze
nur so weit in Betracht, als sie im Verlauf der Umdrehung paarweise miteinander
zur Deckung kommen.
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Ferner muß der Kanal bis zum Ende der Verdichtung mit dem Kompres:sionsrau.m
und vom Beginn der Vergrößerung des Expansionsraumes an mit diesem in Verbindung
stehen.
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Der Anteil vom Restgas an der Ladung richtet sich nach dem Volumen
des Kanals und nach dem Zustand der Verbrennungsgase in diesem (Druck. Temperatur).
Der Anteil kann also durch Kleinhaltung des Kanalvolumens (hohes Verdichtungsverhältnis)
und Teilnahme dessen Inhaltes an der Expansion bis über den Auspuff hinaus vermindert
werden.
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Schließlich soll der Kanal möglichst zu Beginn der Kompression mit
dem Verdichter in VeTbindung treten, um den Druckausgleich zwischen der eintretenden
Frischladung und dem durch Teilnahme am Auspuff entspannten Kanalinhalt klein zu
halten.
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Diese Forderungen widerstreben der Einhaltung der obigen Winkelsumme
von 36o°. Ein Komprom.iß kann durch Vorverlegung des Auspuffs erzielt werden, da
hierdurch die erforderliche Länge des arbeitsseitigen Steuerschlitzes verringert
wird. Um trotzdem ein genügendes Expansionsvolumen zu erreichen, wird dieser von
vornherein größer dimensioniert.
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Es ergibt sich also folgender Arbeitsverlauf (Afiwicklung des Schnittes
E-F) : i. Der Kopf der Kompressorschwinge überwindet den Ansaugstutzen, Berginn
der Verdichtung; 2. es erfolgt Auspuff, sobald der Kopf der Arbeitsschwinge den
Auspuffstutzen erreicht, Druckabfall im Expansionsraum und dem hiermit verbundenen
Kanal; 3. der Kanal wird arbeitsseitig verschlossen; q.. hierauf wird .dieser kompressorseitig
geöffnet, Einströmen der schwach voarkomprimierten Ladung; nach erfolgtem Druckausgleich
weitere Kompression; 5. bei Erreichen der inneren Extremlage durch die Ko:mpressorschwinge
wird der Kanal kompressorseitig geschlossen; 6. bei Erreichen der inneren Extremlage
durch die Arbeitsschwinge wird der Kanal arbeitsseitig geöffnet, es erfolgt Zündung
oder Einspritzung und Expansion.
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Der Vorgang beginnt sodann von neuem.
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Die Abdichtung der Druckräume wird durch folgende Dichtungsteile .gebildet:
In axialer Richtung verschiebbare; :in Ringnuten der Kolbentrommel eingelassene
Ringe 9.und io, verbunden durch die Dichtungsleisten i i und Dichtungsschalen 12,
dichten längs des Trommelumfangs und der Aussparungen. Die Schale 12 besitzt die
Rundung des Schwingknaufes 13, welcher sich in ihr :dreht. Die Schale umfaßt den
Knauf @so weit, daß die in die Planke der Schwinge eingelassene Dichtungsleiste
14 bei jeder Stellung der Schwinge mit der Rundung der Schale in Berührung steht.
Hierdurch ist auch an dieser Stelle eine ununterbrochene Dichtung gewährleistet.
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Je zwei der Dichtungsringe und die sie verbindenden Dichtungsleisten
in der Steuerfläche der Trommeln umschließen die Steuerschlitze, solange diese von
den Steuerflächen verdeckt sind. (Steuerfläche gleich innere, dem Kanal zugewandte
Seitenfläche der Trommel.) Die Federung der Dichtungsringe wird in keinem Augenblick
der Umdrehung durch den Gasdruck belastet, die Federung der verbindenden Dichtungsleisten
nur dann, wenn diese sich vor den Steuerschlitzen befinden. Dies ist jedoch dann
der Fall, wenn die Schlitze von den Aussparungen freigegeben werden, d. h. wenn
diese Leisten vorübergehend keine Dichtungsaufgaben haben. Der Anpreßdruck der Dichtungsteile
und damit die Reibung kann daher sehr klein gehalten werden.
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Die Schmierung des Schwinglagers erfolgt durch die Bohrung 15. Wird
hier Drucköl zugeführt, so tritt es durch immer vorhandene Spielräume oder besondere
Öffnungen aus und wird beim Umlauf gegen die Zylinderwandungen geschleudert, wodurch
für eine Zylinderschmierung gesorgt ist. Auch die Schmierung anderer gleitender
Dichtungsteile kann durch Zufuhr von Drucköl in die zu ihrer Aufnahme besitimmten
Aussparungen erfolgen.