DE3825372A1 - Drehkolbenmaschine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehkolbenmaschine mit Ringzylinder und Kolben mit Kreisquerschnitt.

Aufgabe der Erfindung ist, eine nach dem Otto-Prinzip arbei­ tende Drehkolbenkraftmaschine mit innerer Verbrennung und ruhenden Arbeitsraumwandungen zu schaffen, bei der alle bewegten Elemente nur gleichförmige Drehbewegungen ausführen, bei der infolgedessen außer der Zentrifugalbeschleunigung keine anderen Massenbeschleunigungen auftreten als die der variierenden Beschleunigungen der Gassäulen, so daß kera­ mische Drehkolben eingesetzt werden können, und die ohne Ölschmierung läuft.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Motor kämmen je zwei Drehkolben als entweder gegenläufige oder gleichsinnig laufende Dreh­ kolbenpaare ineinander, wobei sie periodisch abwechselnd sowohl die Aufgabe des Kolbens als auch des Absperrteils übernehmen.

Die Länge der Kolben ist ausreichend, um mit Labyrinth­ dichtungen versehen zu werden. Die Wellenzapfen der Arbeitswellen drehen in aerostatisch (mit äußerem Gasdruck beaufschlagt) oder aerodynamisch (selbstansaugend) gas­ geschmierten Lagern, und die Arbeitswellen sind ebenfalls durch aerostatisch oder aerodynamisch gasgeschmierte Axial­ drucklager in ihrer Axiallage stabilisiert. Bei jeder Um­ drehung ihrer Drehkolbenpaare erfolgt in jedem der zugehö­ rigen Ringzylinderpaare eine Zündung mit gegenseitiger Phasenverschiebung um 180°, so daß bei jeder Umdrehung in der Maschine zwei Arbeitshübe wirksam werden.

Der erfindungsgemäße Motor arbeitet ohne Ventile oder Schieber, und je zwei benachbarte Ringzylinder arbeiten über einen Überströmkanal in der Weise zusammen, daß der eine Zylinder das Ansaugen und Komprimieren (in der Folge "Anko- Zylinder" genannt) und der andere die Expansion und das Ausstoßen durchführt (in der Folge "Expaus-Zylinder" genannt).

Infolge der Aufteilung der vier Takte des Otto-Prinzips auf je zwei benachbarte Zylinder hat die Erscheinung der "Überscheidung" bei gleichzeitig geöffnetem Einlaß und Auslaß nicht den Verlust von Gasanteilen zur Folge wie bei oszillierenden Maschinen, weil die Verlustgase beim nächsten Arbeitsspiel erneut benutzt werden.

Die Öffnungen in den Zylindern für den Gaswechsel sind dauernd geöffnet und werden von den Drehkolben überstrichen.

Auf zwei parallel drehenden Wellen laufen je zwei benach­ barte Kolbenrotoren.

Da die benachbarten Drehkolben in eng nebeneinander liegen­ den Ringzylindern drehen, kann der Überströmkanal zwischen letzteren kurz gehalten werden, wodurch der Gaswechsel optimiert wird.

Die Maschine gemäß vorliegender Erfindung hat also vier Ringzylinder bzw. auf jeder der beiden parallel angeord­ neten Arbeitswellen je ein benachbartes Zylinderpaar, wobei das Zylinderpaar der einen sich mit dem Zylinderpaar der anderen Welle schneidet bzw. die zugehörigen Drehkolben miteinander kämmen.

Die Zylinder der einen Welle schneiden sich mit denen der anderen in der Mitte zwischen deren Achsen, so daß jeder Drehkolben periodisch durch den Ringzylinderabschnitt der anderen Welle hindurchfährt und in dem Moment als Absperr­ teil für den im zweiten Zylinder drehenden Kolben wirkt.

So erfüllt jeder Kolben beim anderen sowohl seine eigent­ liche Aufgabe als auch die Funktion eines Absperrteiles.

Die Überschneidung erfolgt immer bei gleichgearteten Zylindern. Ein Anko schneidet den anderen Anko und ein Expaus den anderen Expaus auf der anderen Arbeitswelle.

Wenn ein Ringzylinder, wie beschrieben, einen anderen schneidet und der Abstand der Achsen beider Zylinder gleich ihrem mittleren Durchmesser ist, so entsteht beim Durchfahren des Kolbens durch den "fremden" Ringzylinder­ abschnitt eine nur schlecht abzudichtende Punktberührung.

Deshalb wird gemäß vorliegender Erfindung der Abstand der Zylinderachsen vorzugsweise etwas kleiner als der mittlere Zylinderdurchmesser gemacht, weil dann beim beschriebenen Kolbendurchlauf eine erwünschte Flächenberührung entsteht, die besser abzudichten ist. Die Funktion der Maschine wird dadurch nicht beeinträchtigt.

Zwar ist die beschriebene Doppelaufgabe der Kolben bei Mittel- und Hochdruck-Kreiskolbenpumpen für hochviskose Flüssigkeiten in ähnlicher Ausführung bekannt, z.B. bei den deutschen Lederle-Pumpen und den amerikanischen Tuthill- Pumpen. Jedoch bestehen gegenüber der vorliegenden Erfin­ dung erhebliche konstruktive Unterschiede. Die Kolben haben im Gegensatz zum erfindungsgemäßen Motor rechteckigen Quer­ schnitt. Sie drehen nicht auf Kolbenrotoren, sondern um einen feststehenden Gehäusekern, arbeiten in jedem Fall nur gegenläufig und sind auf einer drehenden Scheibe fliegend angeordnet.

Auch bei Zahnradpumpen und den Roots-Gebläsen arbeiten beide Rotoren wechselweise als Sperrmittel, aber auch sie kann man mit den Drehkolben der vorliegenden Erfindung nicht vergleichen. All diese Maschinen arbeiten als Pumpen, Kompressoren oder Dampfmaschinen mit äußerer Verbrennung. Bisher wurde aber noch nicht der Versuch unternonmen, die Doppelaufgabe der Kolben für Maschinen der erfindungsge­ mäßen Art anzuwenden.

Der Vorteil gemäß vorliegender Erfindung besteht darin, daß zusätzliche Sperrelemente mit ihren Abdichtungsproblemen überflüssig sind.

Die ineinander kämmenden Drehkolben, die sowohl als Kolben als auch als Absperrteil wirken, so daß auf ein zusätz­ liches Absperrteil mit seiner Antriebsvorrichtung verzichtet werden kann, können erfindungsgemäß mit gleichem oder ent­ gegengerichtetem Drehsinn betrieben werden.

Bei entgegengerichtetem Drehsinn muß die Kopplung der Dreh­ kolben über Zahnräder erfolgen, wenn man einen komplizierten Zahnriementrieb vermeiden will, bei dem der Zahnriemen beid­ seitig verzahnt sein muß und durch das notwendige Umlenken über Hilfsrollen stärker gewalkt und beansprucht wird, so daß Lebensdauer und Betriebssicherheit leiden.

Dagegen ist bei gleichem Drehsinn der Zahnriementrieb problemlos und den Zahnrädern überlegen, weil er geräusch­ loser ist und den Einsatz gasgeschmierter Lager begünstigt, die beim Gebrauch von Zahnrädern stärker beansprucht werden und deshalb mit größerem Durchmesser und größerer Lagerlänge gebaut werden müssen. Erfindungsgemäß werden deshalb vor­ zugsweise Zahnriementriebe verwendet, am besten auf beiden äußeren Seiten der Maschine, um die Last auf den Luftlagern außerdem noch zu halbieren.

Gegenläufig ineinander kämmende Kolben können länger sein. Drehkolben mit gleichem Drehsinn sind kürzer, weil sie sich sonst stoßen. Das hat aber den Vorteil, daß mehr Zylinder­ volumen für den Gaswechsel verfügbar bleibt als bei gegen­ läufigen Kolben, obwohl erfindungsgemäß beide Bauarten möglich sind.

Aus vorstehenden Gründen wird aber der erfindungemäße Motor vorzugsweise mit gleichsinnig drehenden Kolben betrieben, die bisher bei Drehkolbenmaschinen noch nicht verwendet wurden.

Obwohl erfindungsgemäß die Drehkolben mit handelsüblichen Kolbenringen gegen die Zylinderwand abdichten können, ist vorzugsweise die Labyrinthdichtung vorgesehen. Da ein Labyrinthkolben berührungs- und reibungsfrei und ohne Öl läuft, fällt der Verschleiß an Zylinderwänden und Kolben weg. Es gelangen keine Ölverbrennungsrückstände in das Abgas, und es entsteht keine Ölkohle an den Kolbenböden oder Zündeinrichtungen. Laufruhe und Lebensdauer werden erhöht, die innere Reibung beträchtlich herabgesetzt. Der erheb­ liche Anstieg der Reibungsverluste mit der Drehzahl, wie er beim Hubkolben bekannt ist, wird erfindungsgemäß mit dem Labyrinthkolben vermieden. Im warmen Hubkolbenmotor können bei einer Verdichtung von 1:10 die Verluste durch Kolben- und Kolbenringreibung allein ca. 50 bis 60% der gesamten inneren Reibung ausmachen, die erfindungsgemäß mit dem Labyrinthkolben völlig wegfallen. Die Gefahr des Kaltstarts mit dem Abspülen des Ölfilms durch Kraftstoff­ kondensation wird vermieden, weil im Zylinder Öl überflüssig geworden ist. So wird auch erfindungsgemäß mit dem Labyrinth­ kolben im ölfreien Ringzylinder der Einsatz des Motors in Steppe und Wüste mit staubhaltiger, trockener Verbrennungs­ luft problemlos, weil der Staub durch die Zylinder hindurch geblasen wird, ohne an der Zylinderwand haften zu bleiben.

Erfindungsgemäß muß die Ringzylinderwand nicht verschleiß­ fest gemacht werden. Zudem ist ein gewisser Rauhigkeits­ grad der Zylinderwand, z.B. durch Bearbeitungsriefen, erwünscht, weil durch die Oberflächenrauhigkeit die Leck­ verluste im Labyrinthspalt vermindert werden, denn die Rauhigkeit bremst die Gasgeschwindigkeit im engen Spalt. Die Zylinder dürfen bei Verwendung von Labyrinthkolben auf keinen Fall geschliffen werden.

Die notwendigen engen Toleranzen zur Erzielung eines engen Labyrinthspaltes sind mit modernen Bearbeitungsmethoden erreichbar. Andererseits ist der Ausdehnungskoeffizient bei Erwärmung von Stahl fast viermal größer als bei kerami­ schem Material, so daß die Berührungsfreiheit des Keramik­ kolbens im Ringzylinder auch bei hoher Belastung erhalten bleibt.

Erfindungsgemäß wird der Drehkolben an beiden Enden mit einem Labyrinth versehen, das lang ausgebildet ist, um eine ausreichende Anzahl von Kammern oder Drosselstellen zu um­ fassen. Für die Wirksamkeit der Kolbenlabyrinthe ist es von Bedeutung, daß der Druck vor oder hinter den Kolbenböden mit hoher Frequenz wechselt. Deshalb wird der Motor erfin­ dungsgemäß als hochtourige Maschine konstruiert. Am äußeren Rand des Kolbenbodens ist erfindungsgemäß eine Ringschneide vorgesehen, die bei Eintritt der Gasströmung in den Labyrinth­ spalt eine Kontraktion der Strömungslinien bewirkt. So wird schon an dieser Stelle eine Verminderung der Leck­ verluste erreicht.

Erfindungsgemäß wird im Kolbenboden eine dünne zentrale Sackbohrung angebracht, die mit noch dünneren Querbohrungen an ihrem Ende in eine der letzten Drosselstellen führt, um dort durch schwachen Gegendruck den letzten geringen Leckverlusten entgegenzuwirken, um eine ausreichende Dichtung zu erreichen. Bei hoher Änderungsfrequenz der Strömungsrichtung wird mit dieser Konstruktion der bei Labyrinthdichtungen unvermeidliche Leckverlust vernach­ lässigbar klein.

Es gehört zum Stand der Technik, daß bei allen Ausführungs­ formen für das Abdichten von relativ zueinander bewegten Maschinenelementen immer nur eine "technische Dichtheit", nie aber eine absolute Dichtheit erzielt werden kann.

Aber bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Labyrinthspalt­ kolbens sind die Leckverluste um ein mehrfaches geringer als bei Gasverdichtern mit Hubkolben desselben Duchmessers. Das von Motorenkonstrukteuren gefürchtete "Durchblasen" der heißen Brenngase tritt nicht auf, weil die Drehkolben gemäß der vorliegenden Erfindung vor der Hitzefront fliehen und bei der hohen Drehzahl und dem hochfrequenten Wandern der hitzebeanspruchten Stellen an der Ringzylinderwand in Richtung des Kolbenumlaufes die Gefahr des Durchblasens erst gar nicht entstehen kann.

Die Verwendung eines Labyrinthkolbens in einer Drehkolben­ maschine mit allen erwähnten Vorteilen wird erstmals durch die vorliegende Erfindung ermöglicht.

Bei Kurbeltriebwerken wurden entsprechende Versuche bald wieder eingestellt.

Weil der Hubkolben im Umkehrpunkt gegen die Zylinderwand kippt, ist für die Berührungsfreiheit eine geradlinige Kolben­ führung nötig, die nur mit großem Aufwand mittels Führungs­ buchsen und Kreuzkopf zu erreichen ist, was eine Vergrößerung der Bauhöhe zur Folge hat. Außerdem ist die Länge des Hub­ kolbens im Verhältnis zum Durchmesser klein, so daß eine Labyrinthdichtung nicht sehr wirksam werden kann.

Ein 4-Zylinder-Boxermotor für den Antrieb von Booten hat sich nicht bewährt, weil die Labyrinthkolben viel zu kurz waren.

Dagegen sind Labyrinth-Kolbenkompressoren für ölfreie För­ derung von Gasen und Dämpfen der schweizerischen Firma Sulzer erfolgreich, weil die Hubkolben lang genug sind und eine aufwendige, lange Geradführung des Kolbens die Berührungs­ freiheit bei engem Spalt garantiert, weil die entstehende große Bauhöhe dieser Maschine für den Verwendungszweck von untergeordneter Bedeutung ist.

Daß Gasturbinen ohne Labyrinthdichtungen nicht denkbar sind, ist bekannt.

Obwohl gemäß vorliegender Erfindung der Motor mit Wälzla­ gern ausgerüstet werden kann, werden in der Maschine vor­ zugsweise gasgeschmierte Lager verwendet. Die verschieden­ sten Arten dieser Lager, sowohl aerostatische wie aerodyna­ mische oder Folien-Gaslager, können erfindungsgemäß einge­ setzt werden. Vorzugsweise werden jedoch gemäß vorliegender Erfindung aerostatische, d.h. mit äußerem Gasdruck beauf­ schlagte Lager gewählt, weil diese nicht so groß bauen und die Notlaufeigenschaften von Wellenschaft und Lagerschale beim An- und Auslaufen der Maschine keine große Rolle spie­ len. Der Druckgasbedarf ist klein und mit einem kleinen Aggregat zu decken. Z.B. benötigt ein Ausführungsbeispiel einen Betriebsdruck in der Größenordnung von 4 bar bei einem Volumenstrom von 20 l/min und einer Leistung von 0,1 kW sowie einen Luftfilter, einen Drucklufttrockner mit Kondensat­ ableiter und einen Druckregler. Diesem mäßigen Aufwand stehen die Ersparnisse an Motorenöl und von ca. 10% des Kraft­ stoffbedarfs wegen des geringen Restes an innerer Reibung gegenüber.

Die vier Radiallager der beiden Arbeitswellen erhalten je einen Druckluftanschluß in der Mitte ihrer Lagerschalen, während die Axiallager erfindungsgemäß von der Abluft der Radiallager gespeist werden. Die Reibung in den gasge­ schmierten Lagern ist um ein Vielfaches geringer als in Wälzlagern. Luftlager sind praktisch geräuschlos.

Die innere Reibung, die in einem Hubkolbenmotor etwa 15% des Kraftstoffverbrauchs in Anspruch nimmt, wird erfindungs­ gemäß durch Labyrinthkolben und Luftlager auf eine Größen­ ordnung von nur noch 5% gesenkt.

Es ist schwierig, die gebräuchlichen Hubkolbenmotoren mit der Maschine gemäß vorliegender Erfindung in Vergleich zu setzen.

Beim Hubkolben unterscheidet man zwischen Kurzhubern mit einem Verhältnis von Kolben-Hub zu Durchmesser von 0,63 bis 0,82 und den Langhubern mit einem Verhältnis von etwa 1,3. Dagegen hat der Motor gemäß vorliegender Erfindung ein Hubverhältnis in der Größenordnung von 20. Dieses Hub­ verhältnis ist ca. 30 mal größer als beim Kurzhuber und ca. 15mal größer als bei einem ausgeprägten Langhuber. Das bedeutet, daß bei der Maschine gemäß vorliegender Erfindung ungewöhnlich lange "Atmungswege" zur Verfügung stehen, die für eine gründliche Durchmischung der Frischgase von Vorteil sind, und daß in einem langen Expansionshub sich eine voll­ ständige Verbrennung entwickeln kann, so daß trotz hoher Drehzahl mehr Zeit für die Umwandlung der Verbrennungswärme in Arbeit zur Verfügung steht als etwa in einem Kurzhuber. Weil auch die Entspannung sich besser entfalten kann und damit der Enddruck vor dem Ausschieben niedriger wird, resultieren geringere Abgastemperaturen und bessere Abgas­ werte. Dazu kommt die Geräuschlosigkeit durch das Fehlen klappernder Ventile und der Wegfall des Energieverbrauchs durch Nockenwelle und Ventiltriebe.

Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispiele wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Die Fig. 1 bis 5 in schematischer Darstellung den Gas­ wechsel mit gegenläufigen Drehkolben.

Fig. 6 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel mit Zahnradgetriebe und Wälzlagern.

Fig. 7 in schematischer Darstellung den Gaswechsel im Zeit­ zündpunkt mit gegenläufigen Drehkolben bei verkürztem Abstand der Rotorwellen.

Fig. 8 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel mit gegenläufigen Drehkolben bei verkürztem Abstand der Rotorwellen.

Fig. 9 einen Teilausschnitt mit dem Überströmkanal und der Ansaug- sowie der Ausstoßleitung.

Fig. 10 bis 15 in schematischer Darstellung den Gaswechsel mit gleichsinnig drehenden Drehkolben bei verkürztem Abstand der Rotorwellen.

Fig. 16 bis 18 drei verschiedene Möglichkeiten des Zahnriemen­ triebes für die Rotorwellen.

Fig. 19 und 20 ein Ausführungsbeispiel für den Labyrinth­ kolben in zwei verschiedenen Maßstäben.

Fig. 21 bis 25 eine der Möglichkeiten zur Massenfabrikation der Drehkolben durch spanende Bearbeitung.

Fig. 26 bis 28 in drei Ansichten den Raumbedarf für gas­ geschmierte Radiallager bei Anwendung des aero­ statischen Prinzips für hohe Radiallasten mit niedrigem Luftdruck bei einem weiteren Ausführungs­ beispiel mit beidseitigem Zahnriementrieb und verkürztem Abstand der Rotorwellen.

Fig. 29 bis 31 in drei Ansichten ein durchkonstruiertes Ausführungsbeispiel des Motors mit beidseitigem Zahnriementrieb, verkürztem Achsabstand und verklei­ nerten Einbaumaßen für die Luftlager bei mäßig erhöhtem Luftdruck.

Die Fig. 1 bis 5 für die Beschreibung des Gaswechsels zeigen einen Achsabstand der Rotorwellen, der genau dem mittleren Durchmesser der Ringzylinder gleich ist. Die Kolben drehen gegenläufig. Auf der rechten Seite der Fig. 1 verschließt der Kolben 10 den Ringzylinder 4. Es ist erkennbar, daß beim Durchfahren des Kolbens 10 nur eine Punktberührung im Scheitel des Ringzylinderabschnittes des Zylinders 4 stattfindet, die die Abdichtung an dieser Stelle nur unvollkommen ermöglicht. Aber für die Beschreibung des Gaswechsels ist dieser Umstand vorerst bedeutungslos. Ebenfalls auf der rechten Seite beginnt der Anko-Kolben 8 soeben, Frischgas aus der dauernd geöffneten Ansaugöffnung 36 anzusaugen. Mit seinem, in Laufrichtung vorn befind­ lichen Kolbenboden komprimiert er im Zylinder 4 und in den Überströmkanal 34, der auf der linken Seite noch durch den Expaus-Kolben 7 verschlossen ist. Auf der rechten Seite unten hat der zweite Anko-Kolben 10 soeben die Ansaugöffnung 37 abgedeckt, die deshalb nicht zu sehen ist. Der Zylinder 6 ist mit Frischgas gefüllt, das bis zur nächsten Verwendung transportiert, geschleppt, wird. Dabei findet eine gründ­ liche Durchmischung statt. Auf der linken Seite hat sich das Abgas im Zylinder 5 durch die Ausstoßöffnung 39, vor dem Expaus-Kolben 9, schon stark entspannt. Hinter dem Expaus-Kolben 9 und dem Überströmkanal 35, der auf der ande­ ren Seite vom Anko-Kolben 10 verschlossen ist, hat die Ver­ brennung und Expansion voll eingesetzt. Oben links ist im Zylinder 3 die Expansion schon abgeschlossen. Sie hat ihr Arbeitsvermögen an den Expaus-Kolben 7 abgegeben und wird, ohne weitere Arbeit zu leisten, mit ihrem geringen Restdruck zur Ausstoßöffnung 38 transportiert, geschleppt, die gerade noch vom anderen Ende des Kolbens abgedeckt wird und daher nicht zu sehen ist.

Es ist erkennbar, daß der Gasdruck vor dem Anko-Kolben in diesem Ausführungsbeispiel periodisch zwischen 0,85 und 15,3 bar wechselt. Der Gasdruck vor dem Expaus-Kolben 9 schwankt zwischen 1,15 und 2,8 bar, während hinter ihm der Druck zwischen 2,8 und 50 bar wechselt. Diese starken perio­ dischen Gasdruckänderungen sind für die Funktion der weiter unten zu beschreibenden Labyrinthdichtung von Bedeutung.

Im Zylinder 3 hat der Expaus-Kolben 7 gemäß Fig. 2 mit dem Ausstoßen des Abgases durch die Öffnung 38 begonnen. Im Zylinder 5 nähert sich die Expansion hinter dem Expaus- Kolben 9 ihrem Ende. Im Zylinder 4 saugt der Anko-Kolben 8 aus der Öffnung 36 Frischgas an. Vor ihm setzt er die Kom­ pression im Zylinder 4 und in den Überströmkanal 34 fort. Im Zylinder 6 transportiert der Kolben 10 das Frischgas zum Verwendungsort.

Die Kompression im Zylinder 4 vor dem Kolben 8 ist nach Fig. 3 beendet und, weil im Zylinder 3 der Überströmkanal 34 soeben vom Kolben 7 freigegeben wurde, strömt das durch die Kompression schon auf 500°C erhitzte Frischgas in den Zylinder 3 hinüber und hinter den Kolben 7 und wird gezündet.

Im unteren Zylinderpaar wurde im Zylinder 5 soeben die Expan­ sion beendet, und die durch die Arbeitsabgabe schon auf 2,8 bar entspannten Abgase werden zur Ausstoßöffnung 39 ge­ schleppt, die im Moment noch verschlossen ist. Im Zylinder 6 steht das Frischgas vor dem Kolben 10 kurz vor dem Beginn der Kompression.

Im Zylinder 3 sind entsprechend Fig. 4 Verbrennung und Expansion hinter dem Kolben 7 in voller Entwicklung. An seiner Front schiebt der Kolben 7 das Abgas durch die Öff­ nung 38. Im Zylinder 5 schleppt der Kolben 9 das schon auf 2,8 bar entspannte Abgas zur Ausstoßöffnung 39, die noch verdeckt ist. Im Zylinder 4 wurde soeben das Ansaugen von Frischgas aus der Öffnung 36 hinter dem Kolben 8 been­ det. Im Zylinder 6 beginnt hinter dem Kolben 10 das Ansau­ gen von Frischgas aus Öffnung 37, während vor dem Kolben 10 im Zylinder 6 und in den Überströmkanal 35, der vorerst am anderen Ende noch vom Kolben 9 verschlossen ist, kompri­ miert wird.

Im Zylinder 3 ist nach Fig. 5 die Expansion soeben beendet. Im Zylinder 4 steht das geschleppte Frischgas kurz vor der Kompression. Im Zylinder 6 ist die Kompression vor dem Kolben 10 soeben beendet. Das komprimierte Frischgas strömt mit einer Temperatur von 500°C in den Zylinder 5, um dort bei gleichzeitiger Zündung sein Arbeitsvermögen an den Kolben 9 abzugeben.

Der beschriebene Zyklus beginnt nun von vorn. Bei jeder vollen Umdrehung des Systems werden die vier Takte Otto′s zweimal durchgespielt. Je Umdrehung erfolgen zwei Arbeitstakte.

Ein Ausführungsbeispiel des neuen Motors, der gemäß den Fig. 1 bis 5 arbeitet, mit Zahnradgetriebe und Wälzlagern, ist im Schnitt in Fig. 6 abgebildet.

Der Motorblock besteht aus den Platten 29, 30, 31, 32 und 33. Die Arbeitswellen 1 und 2 stehen über die Zahnräder 25 und 26 in Verbindung.

Die Schulterkugellager 15 und 17 bzw. 18 und 20 sichern die Arbeitswellen gegen axiales Verschieben. Die Radial­ lager 16 und 19 sichern den genauen Rundlauf bei Verwendung berührungsfreier Labyrinthkolben.

Die Rotorscheiben 11, 12 und 13, 14 sind an ihren dünnen Außenscheiben durch die Dichtringe 21, 22 und 23, 24 mit zugehörigen Dichtringfedern gegen das Gehäuse abgedichtet. Sie sind auf den Arbeitswellen 1 und 2 drehfest montiert.

Die Schwungscheiben 27 und 28 sind durch das Abtragen von Material an geeigneter Stelle unter Berücksichtigung der Masse der Drehkolben zusammen mit diesen statisch und dyna­ misch vor dem Einbau ausgewuchtet.

Bei Verwendung einer schmaleren Bauform für die mittleren Lager 16 und 19 können die Überströmkanäle 34 und 35 noch kürzer ausgeführt werden als in der Fig. 6 gezeigt.

Deutlich wird, daß der Anko-Zylinder 4 und der Expaus- Zylinder 3 eng benachbart ein Ringzylinderpaar bilden, so daß sie sich beim Gaswechsel ergänzen können, wie auch der Anko-Zylinder 6 mit dem Expaus-Zylinder 5 zusammenarbeitet, und daß das obere Zylinderpaar sich mit dem unteren über­ schneidet.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel wie vor, aber mit einem verkürzten Achsabstand seiner Arbeitswellen 1 und 2.

Wie in Fig. 7 deutlich erkennbar ist, wird durch die Ab­ standsverkürzung die frühere Punktberührung des Drehkolbens 9 im Scheitel des Ringzylinderabschnittes 3 durch eine gut ausgebildete Flächenberührung ersetzt, die bei Verwendung von Labyrinthkolben wichtig ist.

In Fig. 8 zeigt eine Schnittzeichnung die Lage der Über­ strömkanäle 34 und 35, die in Fig. 9 in einem Teilschnitt ebenso abgebildet sind wie die Ansaugöffnungen 36/37 und die Ausstoßöffnungen 38/39.

In den Fig. 10 bis 15 wird in schematischer Darstellung der Gaswechsel abgebildet, aber in der erfindungsgemäßen Ausführung mit gleichsinnig drehenden Drehkolben bei ver­ kürztem Abstand der Rotorwellen.

Aus geometischen Gründen müssen gleichsinnig drehende Kolben kürzer als gegenläufig drehende sein, weil sie sich sonst stoßen.

Am vorderen wie am hinteren Kolbenboden der Drehkolben ist je eine Ringschneide ausgearbeitet. Wieder arbeiten oben ein Anko- mit einem Expaus-Kolben als Paar zusammen und kämmen mit dem entsprechenden Kolbenpaar unten.

Fig. 10 zeigt den Augenblick des Überströmens von Zylinder 5 durch den Kanal 35 in den Zylinder 6 bei gleichzeitigem Zünden und den Beginn der Expansion hinter dem Kolben 10.

Fig. 11 zeigt in beiden Zylindern 3 und 5 das Ansaugen aus den Öffnungen 36 und 37, während im unteren Expaus-Zylinder 6 die Expansion aus dem Überströmkanal 35, der am anderen Ende durch den Kolben 9 verschlossen ist, gegen den Kolben 10 in voller Entwicklung ist. Der unter einem bar liegende Ansaugdruck im oberen Zylinder 3 reicht nicht aus, um zu verhindern, daß ein geringer Anteil verbrannter Abgase durch den Überströmkanal 34 zurückfließt, weil das stark ent­ spannte Abgas immer noch unter etwas höherem Druck steht. Dafür ist aber eine Richtungsumkehr des geringen Abgasan­ teiles notwendig, dessen Masse durch die Öffnung 38 im Expaus-Zylinder 4 mit der in voller Bewegung befindlichen Abgassäule mitgerissen wird. Die Richtungsumkehr wird vom Beharrungsvermögen weitgehend verhindert. Hinderlich für das Zurückströmen ist auch der kleinere Querschnitt des Kanals 34. Infolgedessen bleibt der Abgasanteil, der sich durch den Kanal 34 mit dem Frischgas mischt, vernachlässig­ bar klein.

An dieser Stelle entsteht die beim Gaswechsel aller Maschi­ nen, die nach dem Otto-Prinzip arbeiten, bekannte "Über­ schneidung", die aber beim hochtourigen erfindungsgemäßen Motor weniger Verunreinigung des Frischgases durch Abgas­ reste erzeugt als bei den üblichen Ventilsteuerungen bei Hubkolben. Daß dagegen Frischgas aus dem Zylinder 3 in den Kanal 34 eindringt, ist wegen der Druckunterschiede ausgeschlossen.

Eine bekannte Nebenerscheinung der Vermischung geringer Teile heißer Abgase mit dem Frischgas ist eine sogar er­ wünschte Druckerhöhung bzw. Vorverdichtung des Frischgases durch Erwärmung.

Fig. 12 zeigt das Komprimieren vor dem Kolben 7 im Zylinder 3 und in den auf der anderen Seite noch durch den Kolben 8 verschlossenen Überströmkanal 34. Hinter dem Kolben 7 wird gleichzeitig durch die Öffnung 36 angesaugt. Im Zylin­ der 4 entspannen die Abgase vor dem Kolben 8 durch die Öffnung 38. Im Zylinder 5 steht das Ansaugen hinter dem Kolben 9 kurz vor dem Abschluß. Im Zylinder 6 steht die Expansion hinter dem Kolben 10 kurz vor dem Abschluß. Der noch vorhandene geringe Restdruck der entspannten Abgase vor dem Kolben 10 ist nützlich für die Abdichtung bei Ver­ wendung eines Labyrinthes für die Kolben. Er wirkt gegen den Expansionsdruck von der Gegenseite des Kolbens 10.

Fig. 13 zeigt Ansaugen und Komprimieren im Zylinder 3 sowie im Zylinder 5 den Transport des Frischgases, das dabei durchmischt wird und noch nicht in den Überströmkanal 35 eindringen kann, weil dort noch ein höherer Restdruck herrscht und die Kompression im Zylinder 5 noch nicht ein­ gesetzt hat. In den Expaus-Zylindern 4 und 6 sind die Ab­ gase durch die Öffnungen 38 und 39 schon weitgehend ent­ spannt und die Abgassäulen in voller Bewegung.

Fig. 14 zeigt den Beginn des Überstömens von Zylinder 3 in Zylinder 4 bei gleichzeitiger Zündung und beginnender Expan­ sion. Die Zylinder 3 und 5 sind hinter dem Kolben 7 und vor dem Kolben 9 mit Frischgas gefüllt. In den Zylindern 4 und 6 ist vor dem Kolben 8 und hinter dem Kolben 10 das Abgas weitgehend entspannt.

Fig. 15 zeigt, daß im Zylinder 3 das Ansaugen fast beendet ist, während im Zylinder 5 vor dem Kolben 9 komprimiert und hinter ihm angesaugt wird. Im Zylinder 4 ist die Ex­ pansion beendet, und der Ausstoß beginnt sich zu entfalten. Im Zylinder 6 ist die Entspannung der Abgase durch die Öffnung 39 schon nahezu beendet.

Damit haben alle Kolben eine Umdrehung von 360° ausgeführt und der Zyklus, bei dem immer zwei Arbeitstakte erfolgen, beginnt von neuem.

Mit diesen Abbildungen gemäß den Fig. 16 bis 18 wird begründet, warum bei gegenläufigen Drehkolben die Verwendung der geräuscharmen und vorteilhaften Zahnriementriebe kaum zu empfehlen ist und Zahnräder den Vorzug verdienen.

Fig. 16 zeigt, daß bei gegenläufigen Kolben Zahnriemen verwendet werden müssen, die beidseitig mit Zähnen versehen sind. Eine große Hilfsrolle zum Umlenken oder gemäß Fig. 17 zwei kleine Hilfsrollen sind nötig, die die Bauhöhe vergrößern und den Antrieb verteuern. Zudem wird der Zahn­ riemen stark gewalkt und seine Lebensdauer verringert. Dagegen zeigt Fig. 18 den Betrieb des Motors mit gleich­ sinnig laufenden Rotoren und den daraus folgenden normalen Zahnriementrieb mit ausreichender Lebensdauer und ohne Vergrößerung der Bauhöhe. Dies ist einer der Gründe für die gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise gewählte gleichsinnige Laufrichtung der Rotoren.

Fig. 19 zeigt, stark vergrößert, ein Ausführungsbeispiel für den Labyrinthkolben, der an beiden Kolbenböden eine Ring­ schneide 4 a besitzt und an jedem Ende acht Drosselstellen a bis h, deren Querschnitte mit dem, im Labyrinthspalt gegen die Ringzylinderwand laufend abnehmenden Gasdruck kleiner werden.

Obwohl die abgebildeten Drosselstufen eine Art von Idealform darstellen, darf der Effekt dieser Querschnitte nicht über­ schätzt werden. Die Anzahl der Drosselstellen ist erfah­ rungsgemäß wichtiger als deren Form, so daß erfindungsgemäß vorzugsweise alle Drosselstellen gleich groß und zur Verbil­ ligung der Kolben mit halbkreisförmigem Querschnitt einge­ dreht werden, so daß eine Folge von halbrunden Rillen die Aufgabe des Labyrinthes erfüllt. Um dem Weiterströmen der Leckgase über die letzte Drosselstelle hinaus ein Hindernis zu bieten und die Leckverluste hinter dem Labyrinth auf ein Minimum zu reduzieren, wird in jedem der beidseitigen Kolbenböden eine dünne zentrale Sackbohrung 4 b mit noch dün­ neren Querbohrungen 4 c in eine der letzten Drosselstellen eingebracht, durch die bei Druckbeaufschlagung des Kolben­ bodens ein entsprechend verminderter Druck dem Leckgasstrom in den letzten Drosselstellen entgegenwirkt.

Vorzugsweise wird erfindungsgemäß der berührungslose Labyrinthkolben aus keramischem Material hergestellt.

Die Fig. 20 zeigt den Kolben in etwa natürlicher Größe.

Die Fig. 21 bis 25 zeigen eine der Möglichkeiten zur Massenfabrikation eines Labyrinth-Drehkolbens durch spanende Bearbeitung auf Automaten.

Fig. 21 zeigt den Rohling aus einer Leichtmetall-Kolben­ legierung.

Fig. 22 zeigt den aufgespannten Rohling mit einer vorgedreh­ ten Kolbenhälfte mit nur noch geringem Aufmaß sowie den dazu benutzten Formstahl.

Fig. 23 zeigt den Rohling, nachdem er umgespannt wurde, mit seinem Fertigmaß zur Aufspannplatte hin gewandt und dem Roh­ maß vor der Endbearbeitung zusammen mit dem entsprechenden Formstahl. Es entsteht dabei ein Ring für zwei Kolben.

Nach diesem Arbeitsgang wird der Ring geteilt.

Fig. 24 zeigt eine eingespannte Ringhälfte für die Anferti­ gung der Ringschneiden und der zentralen Sacklochbohrungen.

Fig. 25 zeigt das Einstechen der Labyrinthdrosselstellen.

Wie schon oben erwähnt, ist erfindungsgemäß vorzugsweise die Verwendung keramischer Stoffe für die berührungsfreien Drehkolben vorgesehen, wobei die bekannten Methoden der Bearbeitung der Preßlinge vor dem Sintern die notwendigen engen Toleranzen gewährleisten.

Die Fig. 26 bis 28 zeigen als Ausführungsbeispiel des Motors den Motorblock 29 bis 33 in drei Ansichten auf einer Grundplatte mit dem Einbauraum für großdimensionierte aero­ statische Radiallager für hohe Belastung. Diese großen Luftlager sind vorzugsweise für stationäre Drehkolbenkraft­ maschinen mit hoher Dauerlast vorgesehen. Die Arbeitswellen 1 und 2 sind zur Massenreduzierung vorzugsweise als Hohl­ wellen ausgebildet. Um die für Luftlager notwendigen großen Wellenschaftdurchmesser und Lagerlängen zu erzielen, sind erfindungsgemäß auf beiden Seiten der Arbeitswellen 1 und 2 entsprechend dimensionierte, an ihrem Außenumfang feinge­ schliffene Buchsen 40 aufgeschoben, die ebenfalls teilweise hohl ausgebildet sind. Die Lagerschalen dazu sind nicht abgebildet.

Außerhalb des Motorblocks 29 bis 33 sind beidseitig auf den Arbeitswellen 1 und 2 die Zahnscheiben 41 und 42 befestigt.

Fig. 27 zeigt den Zahnriementrieb 41/42 mit der Zahnriemen­ spannscheibe 43.

In den Fig. 27 und 28 sind die Druckluftzuleitungen 48 angedeutet.

Die Fig. 29 bis 31 zeigen in drei Ansichten als ein Aus­ führungsbeispiel den Motor in kompakter Bauweise mit klein dimensionierten Luftlagern aus hochwertigem Material mit Notlaufeigenschaften zur Verwendung als Fahrzeugmotor, der horizontal, d.h. mit seinem kleinsten Außenmaß in der Senk­ rechten eingebaut wird, um die erwünschte windschlüpfige Karosseriefront zu ermöglichen.

Fig. 29 zeigt einen Schnitt durch den Motorblock 29 bis 33 mit den in die Blockscheiben 30 bis 32 eingearbeiteten Ringzylindern 3 und 4 sowie 5 und 6. Die Blockscheiben 29 bis 33 sind gemäß Fig. 31 durch Paßstifte 51 exakt positio­ niert und mit Ankern 55 gemäß den Fig. 29 und 30 ver­ schraubt. Die Arbeitswellen 1 und 2 sind hohl und tragen an ihren Enden außerhalb des Motorblocks die Zahnriemen­ triebe 41/42, die durch nicht abgebildete Blechhauben in bekannter Weise geschützt werden. Die Rotorscheiben 11 bis 14 sind auf den Arbeitswellen 1 und 2 drehfest befestigt. Ihre einander zugewandten Flächen sind feingeschliffen und dienen zusammen mit den benachbarten Gehäuseflächen der Blockscheibe 31 als aerostatische Axiallager zur Sicherung gegen axiales Verschieben der Arbeitswellen 1 und 2. Ihre Druckluftvorsorgung geschieht über die Zuleitungen 49, ob­ wohl erfindungsgemäß dafür auch die Abluft der Radiallager 44 bis 47 genutzt werden kann. In die in den Radiallagern 44 bis 47 drehenden Wellenschäfte der Arbeitswellen 1 und 2 sind beidendig schmale Rillen 47 a eingedreht, um das Ab­ fließen der Druckluft zu hemmen. Von außen wird die Druck­ luft durch die Zuleitungen 48 zugeführt und über der Mitte der Lager durch eine Ringnut 47 b in den Lagerschalen 44 bis 47 über die Länge des Lagerspaltes verteilt, wofür die Ringnut 47 b eine Anzahl radialer Bohrungen 47 c nach innen besitzt. Diese Methode ist bekannt und hat sich bewährt. Die beidseitig der Rotoren 11 bis 14 angeordneten Schwung­ räder 27 und 28 sind durch Abtragen von Material an geeig­ neter Stelle unter Berücksichtigung der Masse der Drehkolben zusammen mit diesen statisch und dynamisch vor ihrem Einbau ausgewuchtet. Zur Justierung des einwandfreien Zusammen­ spiels der nicht abgebildeten Kolben haben die Zahnscheiben 41 in ihren Naben geeignete, einstellbare Befestigungs­ mittel 56 auf der Arbeitswelle 1, wie z.B. die bekannten Spieth-Druckhülsen oder Spannkegelhülsen, mit denen sie auf Bruchteile von Winkelgraden genau verdreht, eingestellt und nach der Justierung drehfest befestigt werden. Die Einstellung der Rotorpaare 11 und 12 wie 13 und 14 ist konstruktiv festgelegt und geschieht vor dem Einbau, so daß nach der Endmontage nur noch die Stellung der Arbeits­ wellen 1 und 2 zueinander justiert werden muß, was durch Kennmarken an den Wellenköpfen erleichtert wird.

Die Druckluftversorgung der Luftlager ist vereinfacht dar­ gestellt. Ein nicht dargestellter Verdichter kleiner Bau­ art liefert die Druckluft über den Trockner 53 mit Konden­ satableiter 54, über einen Druckregler 52, die Verteiler­ stücke 50 und die Zuleitungen 48 und 49 in die Lager.

Fig. 30 zeigt eine Seitenansicht der Maschine mit einem der beiden Zahnriementriebe 41/42 mit Spannrolle 43.

Fig. 31 veranschaulicht insbesondere Lage und Länge der Paßstifte 51, die Montage und Generalüberholung erleichtern.

Claims (18)

1. Kraftmaschine mit zwei in einer Ebene angeordneten Ring­ zylindern, in denen Umlaufkolben angeordnet sind, die an der Peripherie einer je auf einer Welle drehfest sitzenden Rotorscheibe befestigt sind, die peripher einen entsprechen­ den Schlitz in dem jeweiligen Ringzylinder durchgreifen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Umlaufkolben ineinanderkämmen.

2. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umlaufkolben gleichsinnig drehen.

3. Kraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Umlaufkolben gegensinnig drehen.

4. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringzylinder einen runden Querschnitt, insbesondere einen Kreisquerschnitt, und die Umlaufkolben einen ent­ sprechenden Querschnitt aufweisen.

5. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer weiteren parallelen Ebene benachbart zwei vorzugs­ weise gleiche Ringzylinder mit Umlaufkolben angeordnet sind, wobei Überströmkanäle zwischen den Zylindern vorge­ sehen sind.

6. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Zylinder der einen Welle mit denen der anderen Welle in der Mitte zwischen deren Achsen schneiden, so daß jeder Drehkolben periodisch durch den Ringzylinderab­ schnitt der anderen Welle hindurchfährt und in dem Moment als Absperrteil für den im zweiten Zylinder drehenden Um­ laufkolben wirkt.

7. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Achsen der zusammenwirkenden Zylinder etwas kleiner ist als der mittlere Zylinderdurchmesser.

8. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufkolben mit einer Labyrinthdichtung ausgerüstet sind.

9. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlaufkolben aus einem keramischen Material bestehen.

10. Kraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Umlaufkolben an beiden Enden mit einer Labyrinthdichtung versehen sind.

11. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenboden eine dünne zentrale Sackbohrung eingebracht ist, die mit noch etwas dünneren Querbohrungen an ihrem Ende in eine der letzten Drosselstellen führt.

12. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch mindestens eine Ausstoßöffnung (38, 39) und eine Ansaugöffnung (36, 37) in dem dafür vorgesehenen Ringzylinder.

13. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorblock aus Platten (29, 30, 31, 32, 33) besteht.

14. Kraftmaschine nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zylinder (4) und der Zylinder (3) eng benachbart ein Ringzylinderpaar bilden, so daß sie sich beim Gaswechsel ergänzen können, wie auch der Zylinder (6) mit dem Zylinder (5) zusammenarbeitet, wobei die oberen Zylinderpaare sich mit den unteren überschneiden.

15. Kraftmaschine nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Abstandsverkürzung, aus der eine Flächen­ berührung im Scheitel des Ringzylinderabschnittes (3) re­ sultiert.

16. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer Labyrinthdichtung versehene Umlaufkolben an beiden Kolbenböden eine Ringschneide (4 a) aufweist und an jedem Ende mindestens acht Drosselstellen (a bis h), deren Quer­ schnitte mit dem im Labyrinthspalt gegen die Ringzylinderwand laufend abnehmenden Gasdruck kleiner werden.

17. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß alle Drosselstellen gleich groß und mit halbkreisförmigem Querschnitt eingedreht sind.

18. Kraftmaschine nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß in jedem der beidseitigen Kolbenböden eine dünne zentrale Sackbohrung (4 b) mit noch dünneren Querbohrungen (4 c) in eine der letzten Drosselstellen eingebracht ist.