-
Drehkolbenkraft- oder -arbeitsmaschine mit periodisch veränderlichem
Hubraum Die Erfindung bezieht sich auf Drehkolbenkraft-oder -arbeitsmaschinen mit
periodisch sich veränderndem Hubraum unter Verwendung eines den Hubraum teilweise
abdichtenden, eine translatorische Kreisbewegung ausführenden Gliedes, also Brennkraftmaschinen,
Preßluftmotoren, Kompressoren, Pumpen, Dampfmaschinen u. dgl. Der Zweck derartiger
Drehkolbenmaschinen, die in vielen Ausführungsformen bekanntgeworden sind, besteht
in erster Linie darin, die bei Kolbenmaschinen mit geradliniger Kolbenbewegung entstehenden
hohen Massenkräfte bei der Hubumkehr des Kolbens zu vermeiden.
-
Bei bekannten Drehkolbenmaschinen macht eine zuverlässige Abdichtung
der gegeneinanderbewegten Teile größte Schwierigkeiten.
-
Im allgemeinen ist es bisher noch nicht gelungen, durchweg reine Flächenabdichtungen
zu erreichen. In den meisten Fällen muß man sich zum mindesten mit Linienabdichtungen
oder sehr verwickelten Dichtungsanordnungen begnügen, die den Wirkungsgrad der Maschine
beeinträchtigen, die Gestehungs-und Betriebskosten erhöhen oder nur eine geringe
Betriebsdauer haben. Vielfach läßt es sich auch nicht vermeiden, ungleichförmig
bewegte Teile zu benutzen, die wiederum Massenbeschleunigungen in die Maschine hineinbringen
und hohe Drehzahlen verbieten.
-
Um diese Nachteile zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung der von dem
Gehäuse teilweise umschlossene Hubraum von zwei am Gehäuse flächenabgedichteten
Drehzylindern und einem an den Drehzylindern flächenabgedichteten Abschlußorgan
abgeschlossen, wobei mindestens eines dieser drei gegeneinanderbewegten Teile eine
translatorische Kreisbewegung ausführt, durch welche die periodische Veränderung
des Hubraumes herbeigeführt wird.
-
Drehkolbenmaschinen mit periodisch veränderlichem Hubraum, bei denen
die periodische Veränderlichkeit des Hubraumes unter Verwendung eines den Hubraum
abschließenden, eine translatorische Kreisbewegung ausführenden Gliedes herbeigeführt
wird, waren bekannt.
-
So besteht bei einer bekannten Drehkolbenmaschine das eine translatorische
Kreisbewegung ausführende Glied in einem in der Mitte durch einen Exzenter angetriebenen
Zylinderkörper, der an seinem Umfang strahlenförmig mit Fingern versehen ist, von
denen jeder in eine Innenausbuchtung des Gehäuses eingreift und während des Wirkzeitraumes
mit der Wandung der Ausbuchtung in Linienberührung zusammenarbeitet. Bei einer anderen
bekannten Anordnung wird ein im Grundriß aus einem Rechteck und aus auf dessen Enden
aufgesetzten Halbkreisen bestehender Körper durch zwei gleichlaufende Exzenter kreistranslatorisch
in einem Zylinderraum entsprechender Form, aber größerer Länge und mit größeren
Halbmessern bewegt. Auch hier kommt nur Linienberührung zustande.
-
Die Verwendung zweier Drehzylinder für den Abschluß des Hubraumes
ist ebenfalls bekanntgeworden. Es fehlt bei dieser bekannten Drehkolbenmaschine
ein translatorisches Glied, das mit den Kreiszylindern zusammenarbeitet.
-
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung wird hingegen bei den den veränderlichen
Hubraum abschließenden Körpern während des Wirkzeitraumes durchweg Flächenberührung
erreicht, welche den Vorteil der geringeren Abnutzung und der Möglichkeit der Verwendung
höherer Wirkdrücke hat. Diese Flächenberührung kommt insbesondere dadurch zustande,
daß die beiden Drehzylinder im Wirkzeitraum mit kreiszylindrischen Flächen am Gehäuse
und gegeneinander durch das translatorische Glied abgedichtet werden, mit welchen
sie durch exzentrisch abgesetzte Flächen zusammenarbeiten.
-
Diese Ausführungsform kann dahin abgewandelt werden, daß im Zusammenwirken
mit dem kreistranslatorisch bewegten Abschlußorgan einer oder beide Drehzylinder
exzentrisch gedreht werden, wobei die Exzenterachse dieser Drehzylinder mit der
Achse der ihr zugeordneten Hohlzylinderfläche des Gehäuses zusammenfällt. Hierdurch
wird eine wesentliche Vergrößerung des Hubraumes erreicht.
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
zweier Ausführungbeispiele der Erfindung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 die grundsätzliche
Anordnung einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die vorzugsweise als Brennkraftmaschine
benutzbar ist, Fig. 2 bis 5 schematische Darstellungen dieser Ausführungsform der
Erfindung in verschiedenen Winkellagen der Umdrehung, Fig. 6 die grundsätzliche
Anordnung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in der Anwendung auf einen
Kompressor, Fig. 7 bis 9 schematische Darstellungen dieser Ausführungsform in verschiedenen
Winkellagen der Umdrehung.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 5, die in erster Linie für
die Anwendung auf eine Brennkraftmaschine gedacht ist, ist in einem Gehäuse
1 (Fig. 1) ein den Hubraum enthaltender Hohlraum 2 gebildet, welcher durch
einen Ansaugkanal 3 mit dem Vergaser sowie durch einen Auspuffkanal 4 mit dem Freien
verbunden ist. In dem von den beiden Kanälen 3, 4 eingeschlossenen Gehäuseteil 5
sind zwei Drehzylinder 6 und 7 angeordnet, die in der nicht dargestellten oberen
und unteren Abschlußwand des Hohlraumes 2 gelagert sind und sich in teilzylindrischen
Ausdrehungen 9 des Gehäuseteiles 5 drehen. Mit den Drehzylindern 6, 7 arbeitet ein
Abschlußorgan 10 zusammen, und zwar vermittels zylindrischer Innenflächen
11 und 12 als Teile von Ausdrehungen 13.
-
Das Abschlußorgan 10 führt in einer noch näher zu erläuternden
Weise eine translatorische Kreisbewegung aus, wobei es infolge der ebenfalls noch
zu erläuternden Ausbildung und Bewegung der Drehzylinder 6, 7 zu gegebener Zeit
flächenmäßig abgedichtet, in Berührung mit den Drehzylindern 6, 7 steht. Diese sind
selbst zu gegebener Zeit in den teilzylindrischen Ausdrehungen 9 des Gehäuseteiles
5 abgedichtet, so daß der von dem Gehäuseteil 5, den Zylindern 6, 7 und dem Abschlußorgan
10 abgeteilte Hubraum 14 abgedichtet wird. Infolge der translatorischen
Kreisbewegung erfährt der Hubraum bei jedem Umlauf des Abschlußorgans und der Drehzylinder
eine Vergrößerung und eine Verkleinerung.
-
Um den Hubraum dabei durch flächenmäßige Abdichtung abzuschließen,
ist der größere Teil der Umfangsflächen 15 bzw. 16 der Drehzylinder 6, 7 konzentrisch
zu den zugehörigen Achsen 8 gehalten. Der kleinere Umfangsteil 17 bzw. 18
der Drehzylinder ist abgeflacht und weist einen größeren Radius auf als der konzentrische
Teil. Dieser Radius stimmt mit dem Radius des berührenden Teilstückes der zugehörigen
zylindrischen Innenwandung 11 bzw. 12 des Abschlußorgans 10 überein, so daß
auch die beiden Drehzylinder gegenüber dem Abschlußorgan zu gegebener Zeit flächenmäßig
abgedichtet werden.
-
Das Abschlußorgan 10 ist auf zwei in einem gewissen Abstand
voneinander gehaltenen Exzentern 19, 20 gelagert, deren Drehachsen
21 im Gehäuse 1
gelagert sind. Die Mittellinien der beiden Exzenter
19 und 20 liegen miteinander in gleicher Phase, so daß bei synchroner gleichförmiger
Drehung der beiden Exzenter das Abschlußorgan gleichförmige, rein translatorische
Kreisbewegungen ausführt. Außerdem erfolgt die Drehung der beiden Drehzylinder 6,
7 synchron zueinander und synchron zu den Exzenterachsen 21. Durch eine gemeinsame
Antriebsvorrichtung, z. B. Kette, Zahnradgetriebe od. dgl., können alle vier Achsen
8, 21 synchron gedreht werden.
-
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, liegen die Mittellinien der abgeflachten
Umfangsteile 17, 18 der Drehzylinder 6, 7 in gleicher Phase zueinander und zu den
Mittellinien der Exzenter 19, 20 um 180° verdreht.
-
Wenn die Achsen 8 und 21 im Sinne der eingezeichneten Pfeile 22 gedreht
werden, wird der von dem Gehäuseteil 5, den Drehzylindern 6 und 7 und dem Abschlußorgan
10 eingeschlossene Hubraum 14
periodisch vergrößert und verkleinert.
-
In Fig. 2 bis 5 sind die Stellungen der bewegten Teile der Maschine
bei verschiedenen Drehwinkellagen der synchron gedrehten Achsen 8 und 21 dargestellt.
-
In der Drehstellung der Fig. 1, in welcher die Mittellinien der abgeflachten
Umfangsteile 17, 18 nach unten gerichtet sind (Winkelstellung 0°), hat der Hubraum
14 angenähert sein kleinstes Volumen. Der Hubraum 14 ist einerseits durch Anliegen
der konzentrischen Flächen 15 und 16 an den zylindrischen Innenflächen 9 und andererseits
durch Anliegen der abgeflachten Umfangsteile 17 und 18 an den zylindrischen Innenflächen
11, 12 des Abschlußorgans 10 nach allen Seiten flächenmäßig abgedichtet.
-
In dieser Drehstellung (Fig. 1) etwa erfolgt die Zündung und Verbrennung
des vorher in den einen verengten Hubraum 14 eingesaugten Brennstoffgemisches oder
eines anderweitig eingeführten Brennstoffes, wobei die Resultierende des Explosionsdruckes
auf das Abschlußorgan 10 einwirkt und dem Abschlußorgan eine translatorische Kreisbewegung
im Sinne der eingezeichneten Pfeile 22 erteilt.
-
Diese Bewegung wird auch auf die Achsen 8 der Drehzylinder durch das
obengenannte Verbindungsgetriebe übertragen. An diesem Verbindungsgetriebe oder
den Achsen 8 bzw. 21 kann das Drehmoment abgenommen werden. Haben sich nach der
Verbrennung die Achsen 8 und 21 um 90° gedreht, so nehmen die Teile die Lage gemäß
Fig. 2 ein, in welcher der Hubraum 14 nahezu sein größtes Volumen erreicht
hat, aber noch abgeschlossen ist.
-
Bei weiterer Drehung bis auf einen Drehwinkel von 135° (Fig.3) öffnet
sich der Hubraum zuerst an dem linken Ausleger 23 des Abschlußorgans 10, sodann
zwischen dem Drehzylinder 7 und dem Abschlußorgan 10 am linken Ende der zylindrischen
Fläche 12.
-
Bei Weiterdrehung der Achsen 8 und 21 auf 180° (Fig. 4) kommt der
abgeflachte Umfangsteil 18 des Drehzylinders 7 wieder in Berührung mit der Innenfläche
12 und drückt einerseits die vor ihm befindliche, bei der vorausgegangenen Drehung
durch den Ansaugkanal 3 eingetretene Luft vor sich her und treibt zugleich die verbrannten
Gase aus dem am Drehzylinder 6 weit geöffneten Hubraum heraus, wodurch der Hubraum
gespült wird. Die ausgespülten Gase treten durch den Auspuffkanal 4 heraus.
-
Bei einer Winkeldrehung der Achsen auf 270° ergibt sich eine Stellung
der Teile entsprechend Fig. 5, in welcher der Hubraum 14 wiederum einerseits durch
die abgeflachten Umfangsteile 17, 18 geschlossen
ist und die Kompression
begonnen hat. Diese setzt sich bei weiterer Drehung bis zu 360° fort, wo die Teile
wieder die in Fig. 1 dargestellten Lagen annehmen, in welcher die Kompression durchgeführt
ist und die Verbrennung stattfinden kann.
-
Die beschriebene Ausführungsform kann in verschiedener Hinsicht in
Einzelheiten geändert werden. So kann z. B. das Abschlußorgan 10 dadurch in vereinfachter
Weise gelagert werden, daß die Exzenter 19, 20 auf den herausstehenden Enden der
Achsen 8 der Drehzylinder 6, 7 befestigt werden. Da diese Achsen sowieso synchron
mit den Exzenterdrehachsen 21 laufen, erfährt dabei das Abschlußorgan die gleiche
translatorische Kreisbewegung wie bei der Anordnung nach Fig. 1.
-
Bei dieser Bauart wird die Einrichtung dadurch vereinfacht, daß ein
Teil der übertragungsmittel zwischen den Drehachsen in Wegfall kommt. Außerdem können
mehrere Systeme nebeneinander angeordnet werden, wobei die Abschlußorgane zu einem
translatorisch bewegten Teil zusammengefaßt werden können. Dabei kann eine Reihen-,
Boxer-, Ring- usw. Anordnung vorgenommen werden.
-
Das beschriebene Ausführungsbeispiel kann ferner in verschiedener
Richtung durch Benutzung kinematischer Umkehrungen zwischen den verschiedenen Einzelgliedern
abgewandelt werden, z. B. kann dem Gehäuseteil 5 eine translatorische Kreisbewegung
erteilt werden, während das Abschlußorgan 10 feststeht und als Gehäuseteil dient.
-
Das in Fig. 6 bis 9 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung
kann grundsätzlich für die meisten Zwecke verwendet werden, für die Drehkolbenanordnungen
in Frage kommen, also nicht nur für Brennkraftmaschinen, sondern auch z. B. für
Preßluftmotoren, Kompressoren, Pumpen und Dampfmaschinen. Diese Konstruktion soll
in der Anwendung auf einen Kompressor beschrieben werden.
-
Sie besteht ebenfalls aus einem feststehenden Gehäuse 1 (Fig. 6),
welches einen einen Hubraum 14 enthaltenden Hohlraum 2 bildet, der durch eine öffnung
38 mit dem Freien in Verbindung steht. Der Drehzylinder 6 des Ausführungsbeispieles
der Fig. 1 ist auch hier verwendet. Er arbeitet in gleicher Weise mit dem konzentrischen
Teil 15 seines Umfanges mit einer teilzylindrischen Ausdrehung 9 des Gehäuses 1
zusammen, während sein abgeflachter Teilumfang 17 mit der zylindrischen Innenfläche
13 eines abweichend geformten Abschlußgliedes 39 zusammenarbeitet.
-
Statt des anderen um die Zylinderachse 8 drehbaren Drehzylinders 7
des ersten Ausführungsbeispieles ist ein exzentrisch gelagerter Drehzylinder 41
verwendet, welcher um eine Achse 42 rotiert und durch einen abgeflachten Umfangsteil
18
mit einer zylindrischen Innenfläche 43 des Gehäuses zusammenarbeitet. Solange
der abgeflachte Umfangsteil 18 an der Innenfläche 43 entlangbewegt wird, ist dieser
exzentrische Drehzylinder 41 gegenüber dem Gehäuse abgedichtet. Das Abschlußorgan
39 ist ebenfalls auf zwei Exzentern 19, 20 gelagert und zu einer translatorischen
Kreisbewegung veranlaßt. Die Exzenter drehen sich um die Achsen 21, die sich synchron
drehen und in gleicher Phase liegen. Das Abschlußorgan arbeitet durch eine Innenkreiszylinderfläche
44 mit dem zur Zylinderachse 8 konzentrischen Umfangsteil 16 des Drehzylinders 41
zusammen, welcher den gleichen Radius hat wie die Fläche 44. Der Radius des abgeflachten
Teiles 18 des Drehzylinders 41 entspricht dem Radius der zylindrischen Innenumfangsfläche
43 des Gehäuses. Die Drehachse 42 des Drehzylinders 41 fällt mit der Mittelachse
des teilzylindrischen Hohlraumes 43 zusammen.
-
Damit nun bei der Drehung der beiden Drehzylinder 6, 41 und der Exzenter
19, 20 stets eine dichte Anlage des Abschlußgliedes 39 an den beiden Drehzylindern
6, 41 gewährleistet ist, muß die Exzentrizität des Drehzylinders 41 genauso groß
sein wie die Exzentrizität der beiden Exzenter 19, 20. Ferner muß der Drehzylinder
41 synchron mit den Exzentern 19, 20 und dem Drehzylinder 6 laufen, und die Richtungen
der Exzenter 19, 20 müssen in gleicher Phase mit der Exzenterrichtung des
Drehzylinders 41 liegen. Ist dies der Fall, so bleiben während der ganzen Kompression
und während des Anstoßes das Abschlußorgan 39 mit den Drehzylindern 6 und 41 und
die letzteren mit dem Gehäuse 1 abgedichtet. Die komprimierte Luft wird zu gegebener
Zeit durch einen in den Kreiszylinder 6 oder in die Gehäusewand im Bereiche der
zylindrischen Ausdrehung 13 eingearbeiteten Ausstoßkanal 34 abgeführt.
-
Nachstehend ist die Funktion der Vorrichtung als Kompressor an Hand
der Fig. 6 bis 9, die verschiedene Drehwinkelstellungen der Achsen 8, 21, 42 zeigen,
in großen Zügen beschrieben.
-
Bei jeder Umdrehung wird der Hubraum 14 von seinem größten Querschnitt,
wie er in der Fig. 6 dargestellt ist, in seinen kleinsten Querschnitt übergeführt,
wie er aus der Fig. 8 zu ersehen ist.
-
Eine Zwischenstellung zeigt Fig.7. Während die Stellung nach Fig.
6 einer Winkelstellung von 0° der Achsen 8, 21 und 42 entspricht, zeigt Fig. 7 eine
Winkelstellung von 135° und die Stellung gemäß Fig. 8 eine Winkelstellung von etwa
225°. Durch Weiterdrehung auf 360° wird der Zustand der Fig. 6 wieder erreicht.
-
1n der Stellung nach Fig. 8 ist der Kompressionsraum 14 fast auf seine
kleinste Größe zusammengeschrumpft und hat die komprimierte Luft durch den Abflußkanal
ausgestoßen.
-
Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß zu gleicher Zeit hinter dem Drehzylinder
41 in den Teilhohlraum 45 über die Öffnung 38 Luft eingetreten ist, die bei der
Weiterbewegung des Drehzylinders 41 von oben durch den Drehzylinder 41 erfaßt und
in dem bei der folgenden Drehung sich neu bildenden Hubraum 14 in der vorher beschriebenen
Weise zusammengepreßt wird.
-
Der untere Exzenter 20 des Abschlußorgans 39 mit der Achse 21 kann
durch die Achse 42 des Drehzylinders 41 und einen konzentrisch auf den Drehzylinder
41 aufgesetzten Exzenter ersetzt werden, da dieser Exzenter synchron und in gleicher
Phase mit den Exzentern 19, 20 gedreht wird und durch diesen Ersatz die translatorische
Kreisbewegung nicht beeinflußt wird.
-
Ebenso könnte auch der obere Exzenter 19 mit der Achse 21 dadurch
ersetzt werden, daß auf den Drehzylinder 6 eine das Abschlußorgan 39 führende Exzenterscheibe
aufgesetzt wird, deren Exzentrizität denen der Exzenter 19, 20 entspricht und mit
diesen in gleicher Phase liegt, weil der Drehzylinder 6 synchron mit dem Drehzylinder
41 und den Achsen 21 gedreht wird.
Sofern die beschriebene Konstruktion
gemäß Fig. 6 bis 9 als Preßluftmotor verwendet werden soll, wird die Preßluft durch
die Austrittsöffnung 34, die mit der hohl gehaltenen Achse 8 verbunden sein kann,
eingeführt. Sie bringt das Abschlußorgan 39 und den Drehzylinder 41 zur Drehung
und tritt entspannt aus dem Hubraum 14 wieder aus, kurz bevor die Achsen ihre Anfangsdrehstellung
360° wieder erreichen, und zwar durch die Öffnungen, welche sich zwischen dem Drehzylinder
6 und dem Abschlußorgan 39 sowie dem Drehzylinder 41 und dem Gehäuse gebildet
hatten. Die betreffende Lage, die einer Drehstellung von 315° entspricht, ist in
Fig. 9 dargestellt.
-
Bei der Verwendung als Brennkraftmaschine ist die dargestellte Anordnung
zunächst nur für die Kompression gedacht. Für die Expansion, bei der die Nutzarbeit
abgenommen werden soll, muß eine entsprechende zweite Anordnung der Anordnung nach
Fig. 6 hinzugefügt werden, in welche in ihrem engsten Hubraum der in dem Hubraum
14 (Fig. 8) komprimierte Gasinhalt eingeleitet und dann gezündet wird.
-
Selbstverständlich können auch hier gleiche oder ähnliche Wirkungen
erzielt werden, wenn die Teile in kinematischer Umkehrung angeordnet werden, z.
B. kann die Anordnung getroffen werden, daß das Gehäuse 1 und das Abschlußorgan
39 eine reine Drehbewegung vollziehen und einer der Drehzylinder feststeht, während
der andere Kreiszylinder eine translatorische Kreisbewegung durchführt. Zur Vereinfachung
der Konstruktion könnte bei einer kinematischen Umkehrung, die als translatorisch
bewegtes Organ einen Kreiszylinder benutzt, dieser auf Kosten einer flächenmäßigen
Abdichtung, durch eine an dem sich drehenden Gehäuse oder Abschlußorgan befestigte
elastische Abdichtung ersetzt werden, so daß sämtliche bewegten Teile nur reine
Kreisbewegungen durchführen. Derartige kinematische Umkehrungen lassen sich bei
der dargestellten Konstruktion in großer- Mannigfaltigkeit vornehmen.
-
Der Grundkreis der Zylinderflächen 11, 12 (Fig. 1) des Abschlußorgans
10 beschreibt zufolge der Exzenterlagerungen 19, 20 eine translatorische
Kreisbewegung um die feststehenden Achsen 8 der Drehzylinder. Damit nun die abgeflachten
Flächen 17, 18 für die Zeit ihres Vorbeiganges an den zylindrischen Flächen
11, 12 an diesen eng anliegen, muß die Bedingung erfüllt sein, daß der Radius
46 (Fig. 1) der translatorischen Kreisbewegung des Abschlußorgans 10 gleich dem
Abstand 47 der Achse 8 des Drehzylinders 6 von der Achse 24 der Innenzylinderfläche
11 des Abschlußorgans ist.
-
Damit in ähnlicher Weise die abgeflachte Fläche 18 (Fig. 6) des Drehzylinders
41 mit der Innenzylinderfläche 43 in Berührung ist, muß der Radius der Teilumfangsfläche
18 dem Radius der Innenzylinderfläche 43 des Gehäuses entsprechen. Außerdem muß
der Radius der Umfangsfläche 16 größer sein als die Differenz zwischen dem Radius
der Zylinderfläche 43 und der Exzentrizität 48 des Drehzylinders 41.