Drehkolbenmaschine Die Erfindung betrifft Drehkolbenmaschinen mit einem oder mehreren exzentrisch in einem Gehäuse angeordneten Kolben, welche mit im wesentlichen radialen Flügeln versehen sind, die den Raum zwischen dem oder den Kolben und dem Gehäuse in mehrere voneinander getrennte Arbeitsräume teilen. Der oder die Kolben sind dabei exzen trisch auf einer im Gehäuse gelagerten Welle drehbar angeordnet und werden bei der Drehung der Welle im Gehäuse auf einer Kreisbahn verschoben, so dass das Volumen der einzelnen Arbeitsräume aufeinan derfolgend zu- und wieder abnimmt.
Drehkolben maschi'nen dieser Art können sowohl als Motoren aus geführt weiden, sei es als Explosions-, Dampf- oder Pressluftmotoren, ebensogut ist es aber auch möglich, die Drehkolbenmaschinen als Saug- oder Druck pumpen zu gestalten.
Zu diesen Zwecken wird den Arbeitsräumen bei ihrer Volumen-Zunahme das Ar beitsmedium über Einlassöffnungen zugeleitet, oder es erfolgt dabei das Expandieren eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums, während bei der Volu- men-Abnahme das in den Arbeitsräumen befindliche Arbeitsmedium verdichtet oder über Auslassöffnun- gen aus den Arbeitsräumen ausgeschoben wird.
Ein Ziel der Erfindung besteht darin, Drehkolben maschinen zu schaffen, welche baulich besonders ein fach sind. Ein weiteres Erfindungsziel besteht darin, die rotierenden Massen der Drehkolbenmaschme auf ein Minimum zu beschränken. Ferner ist es ange strebt, mit einem geringen Baugewicht der Dreh kolbenmaschine eine verhältnismässig grosse Leistung zu erreichen, sei es bei einer Ausführung als Motor oder auch als Pumpe.
Zur Erreichung dieser Ziele ist bei der Erfindung ausgegangen worden von Drehkol- benmaschinen mit einem oder mehreren exzentrisch auf einer im feststehenden Gehäuse gelagerten Welle drehbar angeordneten Kolben, die auf einer in sich geschlossenen Bahn verschiebbar, jedoch gegen eine Rotationsbewegung gesperrt im Gehäuse geführt und mit Flügeln versehen sind, welche im Gehäuse von einander getrennte, innen durch den Kolben und aussen sowie stirnseitig durch das Gehäuse begrenzte Arbeitsräume bilden, deren Volumen bei der Wellen drehung aufeinanderfolgend zu- und wieder abnimmt. Die Erfindung besteht darin,
Drehkolbenmaschinen der vorstehend erläuterten Art in der Weise zu ge stalten, dass jeder Arbeitsraum mit einer Ein- und Auslassöffnung versehen ist, welche seitlich des oder der Kolben im Gehäuse innerhalb des Verschie bungsbereiches der Kolben derart angeordnet sind, dass sie von dem oder den Kolben bei deren Ver schiebung aufeinanderfolgend freigegeben und wieder verdeckt werden.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ,sind die Ein- und Auslassöffnungen jedes Arbeitsraumes relativ zueinander und zum Ver schiebungsbereich des zugehörigen Kolbens derart angeordnet, dass die Freigabe der mit vorverdichte tem Brenngemisch beschickten Einlassöffnung be ginnt, bevor der Kolben die Auslassöffnung verdeckt.
Die Führung des Kolbens auf seiner Verschie bungsbahn im Gehäuse und zugleich die Sperrung des Kolbens gegen eine Rotationsbewegung im Ge häuse kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Hierzu können die Kolbenflügel benutzt werden, in dem sie entweder am Kolben oder am Gehäuse ge lenkig befestigt sind und mit radialer Beweglichkeit sowie winkeleinstellbar in das Gehäuse oder den Kol ben eingreifen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Sicherung des Kolbens gegen eine Rotationsbewegung im Ge häuse besteht darin, dass im Kolben oder im Gehäuse mit einem exzentrischen Zapfen versehene drehbare Scheiben angeordnet sind, deren Zapfen in Bohrun- gen des Gehäuses oder Kolbens eingreifen. Das Mass der Exzentrizität der Zapfen zu den Drehachsen der Scheiben stimmt dabei mit dem Mass der Exzentrizi tät des Kolbens auf der ihn lagernden Welle überein. Die Scheibenzapfen führen den Kolben zweckmässig auf einer Kreisbahn in der Weise, dass eine Parallel verschiebung des Kolbens erfolgt und zugleich eine Rotationsbewegung des Kolbens im Gehäuse verhin dert ist.
Bei Anordnung mehrerer Kolben im Gehäuse können diese paarweise um 180 versetzt exzentrisch auf ihren im Gehäuse gelagerten, zu einem Zwang lauf gekuppelten Wellen drehbar angeordnet sein, um einen schwingungsfreien Lauf der Drehkolben maschine zu erzielen. Dabei befinden sich vorteilhaft in den die zueinander versetzten Kolben voneinander trennenden Gehäusewänden die drehbaren Scheiben, welche in diesem Falle auf beiden Seiten je einen exzentrisch angeordneten Zapfen aufweisen, welche in die beiderseits der Scheiben befindlichen Kolben eingreifen und deren Führung auf der Kreisbahn bewirken.
Falls solche Drehkolbenmaschinen mit mehreren Kolben als Explosionsmotore arbeiten sollen, sind in der die versetzten Kolben eines zusammenwirkenden Kolbenpaares voneinander trennenden Gehäusewand Überstromkanäle für das von einem Kolben ange saugte und vorverdichtete, den Arbeitsräumen des anderen Kolbens zuströmende Brenngemisch ange ordnet.
Hierbei dient ein Kolben als Ansaug- und Verdichterkolben, während der andere Kolben, dem das verdichtete Brenngemisch zugeleitet wird, nach erfolgter Zündung des Brenngemisches bei dessen Expansion zu der Kreisbewegung im Gehäuse ange trieben wird und nach beendigter Expansion die Aus lassöffnung für das Entweichen der Abgase aus dem Gehäuse freigibt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, ange wendet auf Drehkolbenmotoren, welche mit einem Kolbenpaar ausgerüstet sind und als Explosionsmo toren arbeiten, ist im nachstehenden unter Hinweis, auf die Zeichnung beschrieben.
Es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch den Drehkolben motor, Fig.2 einen Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3-6 die Ein- und Auslassöffnungen in ver schiedenen Verschiebungsstellungen des Kolbens, Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Motor, des sen Kolben und Gehäuse polygonal ausgeführt sind. Zum leichteren Verständnis der Erfindung wird von Fig. 1 zunächst nur die linke Bildhälfte betrach tet.
In einem undrehbar angeordneten Gehäuse 1, welches die Querwände 2 und 12 aufweist, ist mit tels der Kugellager 17 und 18 die Welle 3 gelagert, welche mit einem Flansch 4 versehen ist. Exzen trisch im Flansch 4 ist ein Kugellager 5 angeordnet, welches den Zapfen 6 des Kolbens 7 drehbar auf- nimmt. Der Kolben 7 ist stirnseitig von den Ge häusewänden 2 und 12 eingeschlossen.
Am Kolben 7 sind Kolbenflügel 8 angelenkt, welche den Raum zwischen dem Kolben 7 und dem Gehäuse 1 in mehrere voneinander getrennte Arbeits räume a, <I>b, c</I> unterteilen. Die Kolbenflügel 8 greifen mit ihren dem Kolben 7 abgewendeten Teilen in Schlitze 9 von Gelenkstücken 10 ein, welche im Gehäuse 1 drehbar angeordnet sind. Die Drehachsen der Gelenkstücke 10 sowie die Schwenkachsen der Kolbenflügel 8 im Kolben 7 verlaufen zur Drehachse der Welle 3 parallel.
In der Gehäusewand 12 befinden sich drehbare Scheiben 13, welche mit einem exzentrischen Zapfen 14 in den Kolben 7 eingreifen. Zur Verminderung der Drehwiderstände sind die Scheiben 13 mittels Rollenlagern 15 in der Gehäusewand 12 und die Zapfen 14 mittels der Rollenlager 16. im Kolben 7 gelagert. Das Mass der Exzentrizität der Zapfen 14 zu den Drehachsen der Scheiben 13 stimmt mit dem Mass der Exzentrizität des Kolbens 7 zur Drehachse der Welle 3 überein.
Bei einer Drehung der Welle 3 wird der Kolben 7 im Gehäuse auf der in Fig. 2 mit 19 bezeichneten Kreisbahn zu sich selbst parallel verschoben. Dies bewirken die Scheiben 13 mit ihren Exzenterzapfen 14, welche bei der Drehung der Welle 3 durch den Kolben 7 zu einer gleichsinnigen Drehbewegung mit gleicher Drehzahl wie die Welle 3 gedreht werden und hierdurch den Kolben 7 bei der kreisenden Be wegung im Gehäuse derart führen, dass der Kolben 7 zu sich selbst parallel auf der Kreisbahn 19 verscho ben wird. Zugleich verhindern die Scheiben 13 mit ihrem Exzenterzapfen 14, dass der Kolben 7 eine Rotationsbewegung im Gehäuse 1 ausführen kann, sei es um die Drehachse der Welle 3 oder um die Achse seines Zapfens 6.
Bei der Parallelverschiebung des Kolbens 7 auf der Kreisbahn 19 erfahren die Arbeitsräume<I>a, b</I> und c aufeinanderfolgend eine Vergrösserung und wieder eine Verkleinerung ihres Volumens. In den Fig. 1 und 2 befindet sich der Kolben 7 in einer Stellung, bei welcher der Arbeitsraum c das kleinste Volumen auf weist. Ein im Arbeitsraum c enthaltenes Brennge- misch ist dabei verdichtet, und es erfolgt durch eine in der Öffnung 20 angeordnete Zündeinrichtung eine Zündung des verdichteten Gemisches, welches hier durch zum Expandieren gebracht wird.
Der bei der Expansion auf den Kolben 7 ausgeübte Gasdruck ver schiebt den Kolben auf seiner Kreisbahn im Gehäuse 1 in Richtung der eingezeichneten Pfeile 21 (Fig. 2), wobei gleichzeitig auf die Welle 3 ein Abriebs-Dreh- moment ausgeübt wird. Im Verlauf der Verschiebung gibt der Kolben 7 eine Auslassöffnung 22 frei (Fig. 3), welche sich in der Gehäusewand 2 befindet und dazu dient, das expandierte Brenngemisch aus dem Ar beitsraum c abzuführen.
Bei der weiteren Kolben verschiebung wird, noch während der Öffnungszeit der Auslassöffnung 22, eine weitere öffnung 23 frei gelegt (Fig. 4), welche der Zuführung eines vorver- dichteten Brenngemisches zum Arbeitsraum c dient. Sobald durch das Ausströmen der expandierten Brenngase durch die Auslassöffnung 22 der Druck im Arbeitsraum c unter den Vorverdichtungsdruck des Brenngemisches gesunken ist, tritt durch die Einlassöffnung 23 das Brenngemisch in den Arbeits raum c ein.
Beim Einströmen des vorverdichteten Brenngemisches werden noch vorhandene verbrannte Gase aus dem Arbeitsraum c durch die Auslassöff- nung 22 verdrängt. Bei der weiteren Kolbenver schiebung wird zunächst die Auslassöffnung 22 durch den Kolben 7 wieder verdeckt (Fig. 5), und es ist nur noch die Einlassöffnung 23 offen, so dass das vor verdichtete Brenngemisch weiterhin in den Arbeits raum c einströmt, bis schliesslich auch die Einlass- öffnung 23 vom Kolben 7 wieder verschlossen wird (Fig. 6)
und nunmehr der Kolben das im Arbeits raum c eingeschlossene Brenngemisch weiter ver dichtet, bis nach Erreichen der in Fig. 2 dargestellten Kolbenstellung die Zündung des Brenngemisches er folgt und sich der Arbeitsprozess wiederholt. In gleicher Weise wie im Arbeitsraum c verläuft auf einanderfolgend ein gleicher Arbeitsprozess auch in den Arbeitsräumen a und b, welche zu diesem Zwecke ebenfalls mit Aus- und Einlassöffnungen 22, 23 sowie mit Zündeinrichtungen 20 versehen sind.
Wird nunmehr auch die rechte Bildhälfte der Fig. 1 in Betracht gezogen, so ist zu bemerken, dass zwischen der Gehäusewand 12 und einer weiteren Querwand 24 des Gehäuses 1 sich ein zweiter Kol ben 7 befindet, dessen Zapfen 6 in den Flansch 25 der in der Gehäusewand 24 gelagerten Welle 26 ein greift. Die Welle 26 befindet sich in axialer Ausrich tung mit der Welle 3, jedoch greift der Kolbenzapfen 6 mit Bezug auf den Zapfen 6 des linken Kolbens 7 um 180 versetzt exzentrisch in den Flansch 25 der Welle 26 ein. Ebenfalls um 180 versetzt tragen die drehbaren Scheiben 13 einen Zapfen 27, der in den rechten Kolben 7 eingreift.
Die Anordnung der Kol benflügel 8, der Gelenkstücke 10, sowie der Zünd- einrichtungen 20 ist beim rechten Kolben 7 überein stimmend wie beim linken Kolben ausgeführt. Beide Kolben 7 führen in ihren Gehäuseräumen die gleichen Bewegungen aus, und es sind lediglich ihre Bewe gungsphasen um 180 verschoben. Die Wellen 3 und 26 sind mittels der drehbaren Scheiben 13 und der daran exzentrisch um 180 versetzt angeordneten Zapfen 14 und 27 zwangläufig mit gleichem Drehsinn gekuppelt.
Es besteht nun die Möglichkeit, in der Gehäuse wand 24 die Aus- und Einlassöffnungen 22, 23 in der geschilderten Weise anzuordnen, so dass beide Kolben 7, wie beschrieben, arbeiten. Das vorverdichtete Brenngemisch kann dabei durch einen Verdichter beliebiger Art erzeugt werden, dessen Antrieb durch die Wellen 3 oder 26 erfolgt.
Eine weitere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, dass der rechte Kolben 7 lediglich das Brenn- gemisch ansaugt und verdichtet, während der linke Kolben 7 den eigentlichen Arbeitskolben bildet und in der beschriebenen Weise arbeitet. In diesem Falle sind in der Gehäusewand 24 lediglich AnsaugÖffnun- gen 28 angeordnet, und es befinden sich in der Ge häusewand 12 Kanäle 29, welche das vorverdichtete Brenngemisch den Arbeitsräumen a bis c des linken Kolbens zuleiten.
Die Kanäle 29 sowie die Ansaug öffnungen 28 können dabei mit nicht dargestellten Rückschlagventilen versehen sein, um ein Rückströ men des verdichteten Brenngemisches zu verhindern. Anstelle einer Verwendung des rechten Kolbens 7 für die Vorverdichtung des Brenngemisches kann dieser Kolben auch als Pumpe für sonstige Medien arbeiten, während der linke Kolben 7, wie geschildert, als Antriebskolben dient und das für seine Arbeits weise benötigte Brenngemisch durch einen sonstigen Vorverdichter verdichtet wird.
Es besteht schliesslich auch die Möglichkeit, dass in den Arbeitsräumen anstelle von Brenngemisch lediglich Luft verdichtet wird und eine Brennstoff Einspritzung erfolgt, so dass der Drehkolbenmotor nach dem Diesel-Prinzip arbeitet.
Der Kolben 7 und der Innenraum des Gehäuses 1 können auch eckig begrenzt sein, wie Fig. 7 für einen Drehkolbenmotor zeigt, bei dem die Auslassöffnungen 22 auf der einen Seite des Kolbens 7', dagegen die Einlassöffnungen 23 auf der anderen Kolbenseite in der Querwand des Gehäuses 1' angeordnet sind.