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Drehkolben-Erennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolben-Brennkraftmaschine,
die einen als zylindrischen Hohlkörper ausgebildeten Stator und einen zu diesem
Hohlkörper exzentrisch gelagerten zylindrischen Rotor umfaßt. Derartige Maschinen
sind so aufgebaut, daß am Rotor eine Anzahl schwenkbarer Schaufeln gelagert ist,
die den Expansionsraum in eine der Schaufelzahl entsprechende Anzahl von Expansionskammern
unterteilt. Beim Drehen des Rotors wird der Reihe nach in diese Expansionskammern
Treibgas zugeführt, das aus einer Brennkammer durch kontinuierliche Verbrennung
des Kraftstoffs mit komprimierter Verbrennungsluft gewonnen wird.
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Um den Wirkungsgrad der Maschine möglichst hoch zu halten, ist es
erforderlich, die Expansionskammern gegeneinander und gegenüber dem Stator abzudichten
was in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten bereitet. Außerdem weisen die bekannten
Kon struktionen den Nachteil auf, daß in den Expansionsraum gelangte Verunreinigungen
durch die Fliehkraft dort festgehalten werden, wo sie im Laufe der Zeit durch die
zunehmende Verschmutzung
schließlich die Schwenkbewegung der Schaufeln
ganz unmöglich machen.
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Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
zu vermeiden und eine Sir den Dauerbetrieb besser geeignete Abdichtung der Expansionskammern
gegenüber dem Stator und gegeneinander zu schaffen, und den Verschleiß der gegeneinander
beweglichen Teile weitgehend zu vermeiden Diese Aufgabe wird nun bei einet trrehkolben-Brennkraftmaschine
der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß jede Schaufel über ein Getriebe
durch eine außerhalb der Expansionskammer und exzentrisch zur Rotordrehachse angeordnete
Führung so geführt ist, daß in Jeder Stellung des Rotors die Kante der Schaufel
der zylindrischen Außenwand der expansionsakammer dicht aber gerade berührungsfrei
gegenübersteht Vorteilhafterweise umfaßt der innerhalb des Stators laufende Rotor
im wesentlichen einen hohlzylindrischen Kolbenmantel und je eine an seinen Stirnseiten
angeflanschte, einen Wellenstumpf tragende Kolbenseitenscheibe, in denen die Schaufeln
mittels mit ihnen verbundenen Wellen drehbar gelagert sind.
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Damit die Schaufeln durch die Fliehkraft nicht an die Außenwand der
Expansionskammer gepreßt werden und dadurch dem alsbaldigen Verschleiß preisgegeben
sind, sind die Wellen der Schaufeln mit ihren Enden mindestens durch eine der Kolbenseitenscheiben
hindurchgeführt, wobei mit Jedem Wellenende ein Schaufelarm fest verbunden ist,
an dessen Ende sich ein mit der Führung zusammenwirkendes Fungss tück befindet.
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Eine befriedigende Abdichtung der einzelnen Expansionskammern gegeneinander
wird dabei dadurch erzielt, daß am Kolbenmantel des Rotors zwischen den die Schaufeln
tragenden Lagerungen Dichtplatten befestigt sind, die an beiden Längsseiten eine
Dichtkante aufweisen, mit denen sie die Lagerungen in dichter Form aber greifen.
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Die notwendige exzentrische Fixierung des Gehäuseinnenringes gegenüber
dem Rotor und dem Gehäuse, sowie die Abdichtung und Kühlung des Rotors gegenüber
dem Stator wird gemäß der Brfindung dadurch erreicht, daß der gegenüber dem Rotor
exzentrisch angeordnete Stator einen Gehäuseinnenring aufweist, der gegenüber dem
Rotor berührungslos mit Hilfe von Stützringen an einem Gehäuseaußenring befestigt
ist, der mit an seinen beiden Stirnseiten befestigten Gehäusedeckeln das feststehende
Gehäuse der Maschine bildet. Dabei ist durch die Exzentrizität WeW der inneren und
äußeren Kreiszylinderfläche des Stützringes die gegenseitige Lage zwischen dem Kolbenmantel
und dem Gehäuseinnenring festgelegt. Zum Durchfluß des Eishl- und Schmiermittels
sind die Stützringe als Hohlkörper ausgebildet und mit einer Trennwand, sowie mit
Sintrittsbohrungen und Austrittsbohrungen versehen.
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Um Formveränderungen des Gehäuseinnenringes durch die Wärmeausdehnung
zu vermeiden, ist er mit mindestens einem im wesentlichen in Achsrichtu-ng verlaufenden
Schlitz versehen, wodurch die Ausdehnung im wesentlichen auf die Umfangsrichtung
des Gehäuseinnenringes beschränkt ist.
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Das Konstruktionsprinzip dieser Expansionskammer kann bei Anwendung
der
erfindungsgemäßen Lehre ohne weiteres auf Kompressionskammern übertragen werden,
wobei lediglich die Anordnung der Schaufeln und ihre Schwenkbewegung in sinngemäßer
Weise umzukehren sind.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung sind nun im folgenden
an Hand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben und in den Zeichnungen
dargestellt. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber Teile mit gleicher Funktion
in den verschiedenen Figuren mit denselben Bezugszahlen versehen.
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Fig. 1 zeigt die neue Brennkraftmaschine in der Seitenansicht und
Fig. 2 in der Ansicht von vorn; Fig. 3 zeigt die Expansionskammer im Querschnitt
nach der Linie B - B gemäß Fig. 2; Fig. 4 zeigt die Expansionskammer im Längsschnitt
nach der Linie C - C gemäß Fig. 1; Fig. 5 zeigt ein Detail in vergrößertem Maßstab
aus Fig. 4; Fig. 6 zeigt die Expansionskammer im Querschnitt nach der Linie E -
E gemäß Fig. 2; Fig. 7 zeigt eine der schwenkbaren Schaufeln in der Vorder- und
Seitenansicht; Fig. 8 zeigt die Lagerung einer Schaufel im Rotor mit dem angeschlossenen
Hebelgetriebe und ihre Einzelteile in Vorder-und Seitenansicht; Fig. 9 zeigt eine
der am Kolbenmantel befestigten Dichtplatten in der Vorder- und Seitenansicht; Zig.10
zeigt einen der Stützringe in zwei Ansichten; Fig.11 zeigt die geöffnete Expansionskammer
je zur Hälfte in
zwei Schnittebenen; Fig. 12 veranschaulicht schematisch
die Entstehung der Dichtungswirkung in bezug auf die einzelnen Expansionskammern
am Beispiel einer in vergrößertem Maßstab dargestellten Schaufellagerung; Fig. 13
zeigt in Gegenüberstellung zu der Expansionskammer nach Fig. 3 die Anwendung der
Erfindung auf eine Eompressionskammer.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Prinzip
der bekannten Drehkolbenmotoren. Nach dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Aufbau
setzt sich die Maschine aus der Kompressionskammer 2 und der Eæpansionskammer 3
zusammen, die auf einem Sammelbehälter 1 für den Schmierstoff mit Hilfe der Haltebänder
4 befestigt sind, wobei der Sammelbehälter 1 gleichzeitig das Fundament der Maschine
bildet. Eine Kupplung 5.ist die lösbare Verbindung der rotierenden Teile der Kompressionskammer
mit der Expansionskammer. Auf einer Konsole 6 ist eine Brennkammer 7 befestigt,
zu der über das Druckrohr 10 die in der Kompressionskammer 2 komprimierte Verbrennungsluft
zugeführt wird. Durch einen Ansaugstutzen 8 der Eompressionskammer wird die Luft
angesaugt und nach dem Verdichten über den Druckstutzen 9 und das Druckrohr 10 der
Brennkammer 7 zugeleitet. Bei ihrem Eintritt in den Brennraum der Brennkammer 7
entstehen Primär- und Sekundär-Luftströme zur turbulenten Vermischung mit dem Kraftstoff.
Das durch die Verbrennung entstehende Treibgas wird durch die Verbrennungsluft im
Gegenstrom gekühlt, während sich diese gleichzeitig erhitzt. Das Treibgas tritt
mit einer dem Werkstoff zuträglichen Temperatur über den Einlaßstutzen 17 in die
ungekühlte
Expansionskammer 9 und leistet hier Arbeit. Nach seiner
Expansion strömt das Abgas durch den Abgasstutzen 18 nach außen.
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An die Welle der Kompressionskammer 2 ist noch eine über die Zahnräder
41 angetriebene Schmierstoffpumpe angeschlossen. Mit einer der Wellen kann auch
noch ein Anlasser und eine Kraftstoffpumpe gekuppelt sein.
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Die in den Figuren 3, 4 und 6 in drei Schnitten dargestellte Expansionakammer
3 ist im wesentlichen aus einem Gehäuseinnenring 21 und einem in ihm exzentrisch
drehbar gelagerten Drehkolben 19 gebildet, an dem eine Anzahl von schwenkbaren Schaufeln
22 befestigt ist. Der Drehkolben ist aus einem Kolbenmantel 19 mit zwei an seinen
beiden Stirnseiten angeschraubten Kolbenseitenscheiben 20 aufgebaut, welche mit
Je einem Wellenstumpf 20' eine starre Einheit bilden. Der im feststehenden Gehäuse
55 exzentrisch angeordnete Gehäuseinnenring 21 weist einen im wesentlichen axial
verlaufenden Längsschlitz 24a auf, der eine Ausdehnung des Gehäuseinnenringes 21
in Umfangsrichtung ermöglicht. Der gesamte Expansionsraum ist durch die Schaufeln
22 in mehrere der Schaufel anzahl entsprechende Expansionskammern unterteilt. Die
Schaufeln 22 sind mit Wellen 23 fest und gasdicht verbunden, die in Lagerbuchsen
24 der Kolbenseitenscheiben 20 drehbar gelagert sind.
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Zwischen den Wellen 25 sind am Kolbenmantel 19 Dichtplatten 25 gasdicht
befestigt, die an ihren beiden Längsseiten Dichtkanten 25a aufweisen, mit denen
sie die Wellen 23 beidseitig übergreifen. Beim Drehen des Rotors werden die- Wellen
23 durch den Gasdruck und die Fliehkraft der Schaufeln 22 nach außen gegen die-Kanten
25a der Dichtplatten 25 gedrückt, und zwar auch dann, wenn in den Lagerbuchsen 24
zu viel Spiel vorhanden
sein sollte. Hierdurch werden die Expansionskammern
gegeneinander und gegenüber dem Kolbenmantel abgedichtet Wie insbesondere aus den
im vergrößerten Maßstab dargestellten Figuren 7, 8 und 9 2;u erkennen ist, sind
die durch die tolbenseitenscheiben 20 geführten Wellenenden 23a außerhalb des Expansionsraumes
mit Schaufelarmen 26 mit Hilfe der Kegelstifte 26a fest verbunden Am anderen Ende
tragen die Schaufelarme 26 Zapfen 27, die ebenfalls mit Kegelstiften 26b befestigt
sind.
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Die Achsen der Zapfen 27 haben mit den Schaufelkanten 22a denselben
Radius und sie fluchten auch miteinander. Auf den Zapfen 27 sind Gleitklötze 28
drehbar gelagert, die in Führungsringen 29, -30 gleiten, die an der Innenseite der
Gehäusedeckel 32 angebracht sind. Die Gleitklötze 28 sind so ausgebildet und dimensioniert,
daß sie sich während ihres Umlaufes in den, Xührungsringen-29, 30 schräg stellen,
so daß sich ein Schmierkeil bildet, der die aufnahme der radialen Schaufelkräfte
ohne Verschleiß auch bei hohen Drehzahlen zuläßt. Dabei werden die Gleitklötze 28
und die Führungsringe 29, 30 durch reichliche Schmiermittelzufuhr außerdem gekühlt.
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Wie aus Figur 4 ersichtlich, tragen die Gehäusesitendeckel 32 zentrisch
angeordnete Gleit-lager 33 für die mit den Kolbenseitenscheiben 20 verbundenen-
Wellenstümpfe 20'. Die --Gehäusedeckel 32 sind an den Stirnseiten des zylindrischen,
feststehenden Gehäuseaußenringes 35 angeschraubt. Der Gehäuseinnenring 21 und der
Gehäuseaußenring 35 weisen Durchbrechungen für den Anschluß und die Durchführung
des Einlaßstutzens 17 and des Abgasstutzens 18 auf, an die RohrsttLcke 17a bzw.
18a angescbraubt oder angeflanscht sein können. Wie aus Figur 3 ersichtlich, ist
das
Rohrstück 17a für die Zuleitung des Treibgases gegenüber dem
Gehäuseaußenring 35 mit Hilfe einer Stopfbüchse 37 abgedichtet.
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Zum Fixieren der gegenseitigen Lage des Gehäuseinnenringes 21 gegenüber
dem Gehäuseaußenring 35 sind zwei als Hohlkörper ausgebildete ölgekühlte Stützringe
38 vorgesehen, die in Figur 10 in vergrößertem Maßstab dargestellt sind. Durch die
Exzentrizität e zwischen der kreis zylindrischen Außen- und Innenfläche ist die
gegenseitige Lage des Kolbenmantels 19 des Rotors gegenüber der Wandung des Gehäuseinnenringes
21 festgelegt. Die Stützringe 38 verhindern außerdem, daß sich der Gehäuseinnenring
21 bei Erhitzung radial ausdehnen kann, so daß zu großes Spiel zwischen dem Gehäuseinnenring
21 und den Schaufelkanten 22a und die daraus resultierenden Verluste durch Undichtheiten
vermieden werden. Das durch die Eintrittsbohrungen 38' (Figur 10) in den durch eine
Trennwand 39' abgeteilten Hohlraum 38a der Stützringe 98 eintretende Schmiermittel
wird durch seitliche Austrittsbohrungen 39 in die Spalte zwischen den feststehenden
Stützringen 38 und den drehbeweglichen Kolbenseitenscheiben 20 gedrückt, unter Vermeidung
einer direkten metallischen Berührung der aneinander gleitenden Flächen. Wie aus
Figur 4 leicht erkennbar ist, wird dadurch die Abdichtung des Expansionsraumes bewirkt.
Das derart in den Spalt gedrückte Schmiermittel wird durch Gasdruck und die Fliehkraft
nach außen befördert, so daß der Expansionsraum schmiermittelfrei bleibt. Eine Verschmutzung
durch Öl- oder Verbrennungsrückstände ist deshalb ausgeschlossen.
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Das radial nach außen austretende und durch die Kühlung des Expansionsraumes
erhitzte Schmiermittel läuft durch Ablauföffnungen 40, die sich im unteren Teil
des Gehäuseaußenringes befinden,
nach unten in den Sammelbehälter
1 ab.
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Die in Figur 6 gezeigten Bohrungen 31 dienen zum Zuführen des Schmiermittels
für die inneren und äußeren Führungsringe 29 und 30. auch die Gleitlager 33 für
die Wellenstümpfe 20' des Rotors werden über die in den Lagerdeckeln 34 vorgesehenen
Schmierlöcher 36 mit Fischöl versorgt und gekühlt, wobei die Ölablauföffnungen 40a
ebenfalls mit dem Sammelbehälter 1 in Verbindung stehen.
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In Figur 5 ist ein in Figur 4 nicht erkennbares Detail in vergröBertem
Maßstab dargestellt, das sich auf die Art der Befestigung des- Kolbenmantels 19
an den beiden Kolbenseitenscheiben 20 bezieht.
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In Figur 11 ist die geöffnete Expansionskammer dargestellt, bei der
der vordere Ghäusedeckel 32, die vorderen Schaufelarme 26 und die vordere Kolbenseitenscheibe
20 entfernt sind. Die hintere Kolbenseitenscheibe 20 und der Gehäuseinnenring 21
sind halbiert gezeigt, wobei ihre jeweils linke Hälfte zur besseren Veranschaulichung
weggelassen sind. Hier ist die exzentrxische Anordnung der-Sührungsringe 29 und
30 sowie d-es Gehäuseinnenringes 21 besonders gut erkennbar. Ferner ist zu sehen,
daß die Kanten 22a der Schaufeln 22 mit den Achsen der Zapfen 27 fluchten.
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Figur 12 zeigt in vergrößertem Maßstab eines der Schwenklager für
die Schaufeln 22. Die am Kolbenmantel 19 gelagerte Welle 23
wird
von beiden Seiten von den am Kolbenmantel 19 gasdicht befestigten Dichtplatten 25
umfaßt9 die an ihren beiden Bangsseiten Dichtkanten. 25a aufweisen. Beim Rotieren
des Drehkolbens wird durch den Gasdruck und durch die auf die Schaufel 22 und die
Welle 23 einwirkende Fliehkraft, die durch den Pfeil Cf symbolisiert ist, die Welle
25 teils durch ihre Elastizität, teils durch das geringe Lagerspiel gegen die Dichtkanten
25a gedrückt.
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Auf diese Weise werden die einzelnen Expansionskammern gegeneinander
und gegenüber dem Kolbenmantel 19 abgedichtet. Durch die außerhalb des Expansionsraumes
liegenden Führungen 29, 30 wird die Fliehkraft der Schaufeln 22 aufgefangen, so
daß-diese mit ihren Kanten 22a dicht an der Wand des Gehäuseinnenringes 21 vorbeigleiten,
ohne diese jedoch zu berühren. Der Expansionsraum kann deshalb völlig schmiermittelfrei
bleiben, ohne daß es zu einem Verschleiß der gegeneinander gleitenden Teile führt.
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Der in Figur 13 dargestellte Querschnitt durch die Eompressionskammer
2 nach der Linie D - D gemäß Figur 2 läßt erkennen, daß hier nach denselben Konstruktionsprinzipien
verfahren werden kann wie bei der Expansionskammer 3. Wird hier bei gleicher Drehrichtung
des Rotors lediglich die trage und Schwenkrichtung der Schaufeln umgekehrt, so sind
bei einer solchen Eompressionskammer im wesentlichen dieselben Vorteile erzielbar
wie bei der erfindungsgemäBen Expansionskammer. Dabei vertauschen die Stutzen 17
und 18 nach Figur 3 ihre Funktion in dem Sinne, daß nunmehr der nach oben gerichtete
Ansaugstutzen 8 die zu komprimierende Luft ansaugt, während sie aus dem nach links
gerichteten Druckstutzen 9 in das Druckrohr 10 gedrückt wird.
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Mit der erfindungsgemäßen Drehkolben-Brennkraftmaschine ko'nnen hohe
Drehzahlen erzielt werden, weil die Schaufeln 22 außerhalb des thermisch hochbelasteten
Expansionsraumes abgestützt sind und deshalb während ihres Umlaufes mit den Kanten
22a nicht die Innenseite des Gehäuseinnenringes 21 berühren. Wegen der stänzeigen
Einhaltung eines sehr geringen Spaltes zwischen den beweglichen Teilen ist auch
keine Schmierung an diesen Stellen notwendig. Hieraus ergibt sich der weitere Vorteil,
daß die reibgastemperaturen in diesem Bereich ohne Beeinträchtigung der Bunktionsfähigkeit
sehr hoch gewählt werden können. Der noch verbleibende geringe Spalt zwischen dem
rotierenden und feststehenden Teil, der zwischen den innen liegenden Stirnseiten
der Eolbenseitenscheiben 20 und-den Stirnflächen der Sttitzringe 38 besteht, wird
durch unter Druck ständig zugeführtes Schmiermittel, das gleichzeitig zum Abführen
der überschüssigen Wärme dient, abgedichtet. Darüber hinaus ergeben sich die bei,
Brennkraftmaschinen dieses Typs bekannten Vorteile, die in einer Verbrennung des
Eraftstoff-Luft-Gemisches in einer außen liegenden Brennkammer begründet sind. Da
nur die Verbrennungsluft verdichtet wird, sind keine klopffesten Xraftstoffe mit
ihren umweltschäalichen Zusätzen notwendig. Die hochgradig vorgewärmte Verbrennungsluft
begünstigt dabei eine gute, Verbrennung des Kraftstoffes, so daß, der Anteil anderer
schädlicher Rückstande im Abgas wesentlich herabgesetzt wird. Schließlich ist für
die Lebensdauer der Maschine von Bedeutung, daß in dem Bereich, in dem hohle Temperaturen
auftretens keine beweglichen Teile, wie Ventile, Schieber, federnde Dich-tleisten
und dergleichen vorhanden sind.