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Drehkolben-Brennkraftmaschine Die Erfindung betrifft eine Drehkolben-Brennkraftmaschine
mit in Zylindern umlaufenden Kolben, die über Dichtungsscheiben mit der gemeinsamen
Welle verbunden sind.
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Es sind bereits derartige Drehkolbenmotoren bekannt, bei denen die
Zuführung eines Betriebsmittels durch den Kolben erfolgt. Der Drehkolben gleitet
mit seiner Dichtungsfläche an den Zylinderwandungen entlang und muß hier irgendwie
geschmiert werden (gleitende Reibung).
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Die Aufgabe, die die Erfindung lösen soll, wird darin gesehen, bei
derartigen Drehkolben-Brennkraftmaschinen den Drehkolben gegenüber der Zylinderwand
ohne Berührung abzudichten, so daß bei der Abdichtung keine gleitende Reibung entsteht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an dem der
Zylinderwand am nächsten liegenden Teil des Kolbens Ausströmöffnungen für ein Mittel,
z. B. einen gas- oder dampfförmigen Stoff, ausgebildet sind, das über die Dichtungsscheiben
dem Kolben zugeführt wird und dessen Ausströmrichtung der sonst in den Zylinder
eintretenden Ladung während der ganzen Umdrehung entgegengesetzt gerichtet ist.
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Die Ausströmrichtung des herausgedrückten Mittels verläuft dabei vorteilhafter
Weise annähernd tangential gegen die Zylinderwände. Hierdurch wird eine Drehkolben-Brennkraftmaschine
geschaffen, die durch besondere Dichtungs- und Isoliermittel durch die gesamte Anordnung
der einzelnen Zylinder und die Form der Kolben bei höchster Leistung, bezogen auf
Gewicht und Preis, den denkbar größten Gesamtwirkungsgrad, insbesondere bei großen
Leistungseinheiten erzielt.
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Durch die Erfindung wird der Vorteil erreicht, daß es erstmalig möglich
ist, Motoren herzustellen, bei denen die Zylinderwandung und die Kolbenflächen nicht
glatt geschliffen sein müssen, um eine geringe Reibung. zu erhalten. Nach der Erfindung
können die Zylinderwand und der Kolben in seinen sich gegenüberstehenden Flächen
rauh sein, also auch wegen der Wärmeausdehnung bei großen Durchmessern mehrteilig
ausgebildet sein. Die Flächen können also auch aus Beton oder Fels bestehen. Das
zur Verwendung gelangende Dichtungsmittel, z. B. Druckluft, gestattet dies.
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In der gleichen Weise kann das gesteuerte, den wirksamen Zylinderraum
einseitig begrenzende Absperrorgan (Schieber) an den dem umlaufenden Kolben gegenüberliegenden
Flächen Ausströmöffnungen für ein Dichtungsmittel besitzen. In den Figuren ist ein
Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch den Zylinder mit Drehkolben senkrecht
zur Drehachse, Fig.2 einen Schnitt durch den Zylinder in der Achsrichtung und Fig.3
einen Teilschnitt durch die Zylinderwand senkrecht zur Drehachse.
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In den Figuren ist 1 die äußere und 2 die innere Zylinderwand. In
der inneren Zylinderwand sind radiale Spalte vorhanden, in denen sich kreisrunde
Dichtungsscheiben 3 befinden. Diese sitzen auf der Welle 4 und tragen die Kolben
5. Das den wirksamen Zylinderraum einseitig begrenzende Absperrorgan, der Schieber
6, wird mittels Nocken oder anderer geeigneter Übertragungsmittel direkt von der
Welle 4 aus betätigt. Schieber und Kolben teilen den Zylinder in zwei Abteilungen.
7 ist der Ein- und 8 der Auslaßkanal. Der Schieber 6 ist in der Zylinderwand in
entsprechenden Führungen beweglich gelagert.
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Die Fig. 1 stellt einen Arbeitszylinder schematisch dar, in dem sich
der Kolben 5 in Pfeilrichtung bewegt. Die Dichtung zwischen Kolben und Zylinderwand
erfolgt durch ein gegen seine Ladungs-Durchströmrichtung gerichtete Strömung eines
Mittels, z. B. Gases oder Dampfes, wobei dieses Mittel durch die Welle 4, Dichtungsscheibe
3 und Kolben 5 bei der oder den Ausströmöffnungen 9 austritt. Eine Reihe von solchen
Ausströmöffnungen ist über den ganzen Kolben verteilt (vgl. Fig. 2, rechts, Mitte).
Ähnliche Ausströmöffnungen sind für den Schieber 6 vorgesehen, die jedoch in der
Zeichnung weggelassen sind, um die Übersichtlichkeit nicht zu stören. Die allmählich
auslaufende Form des Kolbens 5 hat den Zweck, ein gleichmäßigeres Drehmoment zu
liefern, nämlich
zur Zeit des höchsten Gasdruckes einen geringeren
Zylinderquerschnitt zu erzielen. Die Rundung bei der Ausströmöffnung hat den Zweck,
die Strömung des als Abdichtung vorgesehenen Gases durch eine glatte Umlaufströmung
des im Zylinder vorhandenen Gases zu unterstützen. Das Abdichtungsgas kann etwa
Brennstoff sein, so daß die gesamte erzeugte Strömung dichtend wirkt, während zugleich
eine gute Durchwirbelung von Brennstoff und Verbrennungsluft erfolgt.
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In Fig. 2 bedeutet 10 die Wälzlager, die die Welle im gleichen Abstand
von der inneren Zylinderwand 2 halten. Um die Dichtung in den Spalten der inneren
Zylinderwand und den Dichtungsscheiben 3 zu verbessern, sind besondere Wellenabdichtungen
11 vorgesehen.
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Zwischen je zwei solchen Wellenabdichtungen entstehen Kammern, in
die Preßluft, z. B. gekühlte Verbrennungsluft, eingeführt wird, z. B. aus dem Druckbehälter
12 über die Leitung 15. In diesen Kammern wird ein Druck aufrechterhalten,
der etwa dem höchsten Druck in dem entsprechenden Zylinder gleichkommt. Dadurch
ist es möglich, geschmierte Kolbenringe ähnlich den Dichtungsringen anzuwenden,
da die kalte Luft in geringen Mengen aus den Kammern nach den Zylindern durchsickert,
und nicht umgekehrt die heiße Zylinderluft nach außen, die dadurch eine ölgeschmierte
Dichtung zerstören würde. Die zusätzliche Wellendichtung 11 bedeutet kaum eine größere
Belastung für die Maschine, insbesondere wenn berücksichtigt wird, daß mit zunehmender
Maschinengröße der Dichtungsspalt auf der Welle einfach linear zunimmt, während
die Leistungsfähigkeit der Welle nahezu quadratisch wächst. Die in den Kammern befindliche
Luft kühlt zugleich die darin untergebrachten Lager. Soweit nötig, kann ein Teil
dieser Preßluft aus den Kammern auch als Verbrennungsluft in den Zylinder eingeführt
werden. Dadurch steht genügend durchströmende Preßluft für die Lagerkühlung zur
Verfügung.
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Die hier beschriebene Brennkraftmaschine benötigt mindestens zwei
Zylinder, einen für die Verdichtung und einen für die Arbeitsleistung. Aus praktischen
Erwägungen sind drei Zylinder, nämlich ein Verdichtungs- und zwei hintereinandergeschaltete
Arbeitszylinder gezeichnet.
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In Fig. 2 ist der obere Zylinder der Verdichtungszylinder K, der mittlere
der Arbeitszylinder HE für den Hochdruckteil und der untere der Arbeitszylinder
NE für den Niederdruckteil.
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Die Kolben 5 sind auf der Welle 4 versetzt, so daß die einseitige
Fliehkraftwirkung ausgeglichen wird. Die Gase strömen nicht unmittelbar von Zylinder
zu Zylinder, sondern erst durch das einwegig ausgebildete Auslaßventil 17 in Druckbehälter
12, 13. Die Einlaßventile 18, 19 für die Arbeitszylinder HE
und
NE sind gesteuerte Ventile.
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Die Zylinderwände der Arbeitszylinder unterliegen keiner gleitenden
Reibung durch Kolben oder Kolbenringe und benötigen dementsprechend keine starke
Kühlung. Sie sind, wie Fig.3 zeigt, mehrschichtig ausgebildet. Die Innenschicht
20 ist eine z. B. mosaikartig zusammengesetzte Wand aus feuerfestem Werkstoff von
großer Stoßfestigkeit, die mittels Bolzen 21 oder anderer geeigneter Mittel
an einer zweiten, ebenfalls mosaikartigen, aber aus größeren Teilen zusammengesetzten
Wand 22 befestigt ist, die aus einem geeigneten festen und wärmeisolierenden Stoff
gefertigt ist und die ihrerseits an der Außenwand 23 des Zylinders befestigt ist.
Diese nimmt die Zugkräfte auf und gewährleistet den Zusammenhalt für die ganze Maschine.
Eine Rohrleitung 24 ist zwischen den Schichten eingebettet.
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In den oberen Zylinder, den Verdichtungszylinder K, wird aus dem Druckbehälter
12, der mit einem Kühler 25 verbunden ist, über eine Leitung 14 durch Welle 4, Dichtungsscheibe
3 und Kolben 5 Öl eingespritzt, und zwar jeweils in den Zylinderteil, in dem gerade
die Verdichtung erfolgt. Bereits während des Verdichtungsvorganges wird die Luft
abgekühlt und somit eine nahezu isotherme Verdichtung erreicht. Wegen des Öls und
der niedrigen Temperatur braucht hier nur eine einfache glatte Zylinderwand vorhanden
zu sein, und die Abdichtung kann durch kolbenringähnliche Dichtungsstreifen erfolgen;
die Dichtung kann aber auch ganz oder teilweise durch das in den Zylinder eingespritzte
Öl erfolgen, nämlich im Sinne der Gegenströmung. Das Öl wird zusammen mit der Preßluft
durch das Auslaßventi117 in den Druckbehälter 12 gedrückt, wo das Öl zum Kühler
25 abfließt und die Preßluft durch entsprechende Leitungen 16 in den Hochdruckarbeitszylinder,
der zugleich Verbrennungsraum ist, gefördert wird.
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Neben dem Auslaßventil 17 zum Druckbehälter 12 ist ein weiteres Einlaßventil
18 in der Ableitung zum Arbeitszylinder HE vorgesehen. Nach diesem Einlaßventil
sind die Wandungen der Leitung 16 isoliert: Jede Wärmemenge, die dem verdichteten
Gas von hier bis auf dem Weg in den Verbrennungsraum zugeführt wird, bedeutet vollwertige
Arbeitsleistung. Ob ein Gas durch direkte Verbrennungswärme oder durch von außen
zugeleitete Wärme erhitzt wird, bleibt sich in bezug auf Arbeitsleistung gleich.
Das verdichtete, jedoch kalte Gas - reine Luft - nimmt seinen Weg nun nicht unmittelbar
in den Arbeitszylinder, sondern umwandelt in Rohrleitungen 24 innerhalb der Isolierschicht
der Zylinderwände den Zylinder, Schieber und Ventile und bringt die ohne diese Kühlung
zu hoch durch Hitze beanspruchten Bauteile auf eine erträgliche Arbeitstemperatur
herunter, sich dabei selbst erwärmend.
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Aus dem mittleren, dem Arbeitszylinder HE strömt das stark
entspannte Gas in den wärmeisolierten Druckbehälter 13 und von da durch 7a in den
Niederdruckarbeitszylinder NE und nach vollendeter Entspannung und Abkühlung
durch den Auslaß 8 ins Freie. Die Dichtung des Kolbens im Niederdruckarbeitszylinder
NE kann durch Dichtungsstreifen und Ölschmierung erfolgen, wenn die Entspannung
und somit Abkühlung im Hochdruckarbeitszylinder HE
bereits genügend weit erfolgte.
Anderenfalls kann sie in der Weise erfolgen, daß ein Teil des Gases oder alles Gas
aus dem Behälter 13 nicht unmittelbar in den Zylinder strömt, sondern durch Welle
4, Dichtungsscheibe 3 und Kolben 5 in den Zylinder tritt und dabei durch die Ausströmungswirkung,
unterstützt durch Düsen und gesteuerten Einlaßdruck für die einzelnen Düsen, eine
genügende Dichtung bewirkt. Zu hoher Düsendruck ist dabei unbedeutend, da er größtenteils
durch die Rückstoßkraft der Düsen ebenfalls Arbeit leistet.
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Der Schieber 6 kann auch als eine Art sich um eine Achse drehende
Klappe ausgebildet sein, wobei sich die Drehachse quer in der Zylinderaußenwand
befindet, während ein Teil der Drehklappe in den
Zylinder ragt und
der andere sich in einer Ausbuchtung des Zylinders befindet. An dem gesamten Prinzip
wird dadurch jedoch nichts geändert. Dichtungsgas kann hierbei durch die Ventilachse
eingeführt werden.
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Es ist auch möglich, daß die Welle fest mit dem Boden verankert ist,
und die Lager befinden sich zwischen Dichtungsscheibe 3 und feststehender Welle.
Die Dichtungsscheibe ist im Durchmesser stark vergrößert und damit auch der Abstand
von Welle 4 zur inneren Zylinderwand 2. Die Kraftabnahme erfolgt von einem Zahnkranz
am äußeren Umfang der Dichtungsscheibe.
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Es ist möglich, den Raum für die Zylinder aus Fels zu sprengen und
die Zylinderwände in Beton zu gießen. Die Dichtung zwischen Dichtungsscheibe und
innerer Zylinderwand erfolgt bei dieser Ausführung durch Düsen am inneren Rand der
inneren Zylinderwand.
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Mit dieser Art Brennkraftmaschine können auch die schlechtesten Brennstoffe,
etwa Teersand, und schiechteste Rohbraunkohle in grusartiger Form verbraucht werden.