Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kreiskolbenmaschine, die sich von bekannten Drehkolbenmotoren und Drehkolbenpumpen bzw. -Kompressoren dadurch unterscheidet, dass sie einen in der wenigstens angenähert zylindrischen Bohrung eines Gehäuses angeordneten scheibenförmigen Kreiskolben von gegenüber dem Durchmesser der Gehäusebohrung kleinerem Durchmesser aufweist, welcher Kreiskolben auf den Exzenter- oder Kurbelzapfen wenigstens zweier im Gehäuse gelagerter Exzenter oder Kurbeln um die Mittelachse der Gehäusebohrung schwingbar gelagert ist, wobei die Exzenter- oder Kurbelachsen über ein Getriebe mit einer aus dem Gehäuse herausführenden Welle in Drehverbindung stehen, und wobei in dem Kreiskolben sternförmig angeordnete radiale Schlitze ausgenommen sind, in denen Dichtungsschieber geführt sind, die den aussen von der Gehäusebohrung und innen von dem Kreiskolben begrenzten,
im Querschnitt sichelförmigen Arbeitsraum in einzelne Arbeitskammern unterteilen, in die Ein- und Auslasskanäle einmünden.
Die erfindungsgemässe Kreiskolbenmaschine eignet sich sowohl für die Verwendung als Brennkraftmaschine (Explosions- oder Dieselmotor) sowie auch als Luftkompressor und ferner auch als Pumpe oder Hydraulik- oder Druckluftmotor.
Sie weist verhältnismässig nur wenige Bauteile auf, die zudem einfach und robust konstruiert werden können. Als Brennkraftmaschine verwendet, ermöglicht die erfindungsgemässe Kreiskolbenmaschine schon bei niederen Tourenzahlen eine Vielzahl von Arbeitstakten, was ermöglicht, die Maschine als Kleinmotor mit geringem Gewicht und wenig Platzbedarf, jedoch mit verhältnismässig grosser Leistung zu bauen.
In der Zeichnung sind verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer als Zweitakt Explosionsmotor gebauten Kreiskolbenmaschine,
Fig. 2 den in Fig. 1 dargestellten Zweitakt-Explosionsmotor im Axialschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, in halbschematischer Darstellung,
Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 1,
Fig. 4 die aus Fig. 1 ersichtlichen Dichtungsschieber auseinandergezogen, in Ansicht,
Fig. 5 eine schematische Darstellung der als Viertakt-Explosionsmotor gebauten Kreiskolbenmaschine
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Kreiskolbenmaschine für die Verwendung als Luftkompressor, und
Fig. 7 eine weitere schematische Darstellung der Kreiskolbenmaschine für die Verwendung als Hydraulikmotor oder Flüssigkeitspumpe.
Bei dem Beispiel nach Fig. 1-4 bezeichnet 1 die angenähert zylindrische Bohrung eines Gehäuses 2. In dem Gehäuse bzw.
in dessen Bohrung 1 ist ein Kolben in Form einer kreisförmigen Scheibe 3 angeordnet. Der Kreiskolben sitzt auf den Zapfen 4 zweier Kurbeln, deren Achszapfen 5 in den das Gehäuse 2 an seinen beiden Stirnseiten abschliessenden Gehäusedek keln 6 und 7 drehbar gelagert sind. Die Kurbelachsen 5 liegen auf einem zur Bohrungsachse A konzentrischen Teilkreis Tk.
Infolge der Durchmesserdifferenzen der Gehäusebohrung 1 und des Kreiskolbens 3 sowie dessen exzentrischer Lagerung ergibt sich ein aussen von der Bohrungswand 1 und innen vom Kreiskolben 3 begrenzter sichelförmiger Arbeitsraum. In dem Kreiskolben 3 sind sternförmig angeordnete radiale Schlitze 3' ausgenommen, in denen Dichtungsschieber 8-11 geführt sind.
Diese Dichtungsschieber unterteilen den erwähnten sichelförmigen Arbeitsraum in einzelne Arbeitskammern 12-19.
Wie aus den Fig. 3 und 4 ersichtlich ist, erstrecken sich die Führungsschlitze 3' für die Schieber 8-11 nur in ihrem äusseren Bereich C über die ganze Breite B (Fig. 2 und 3) des Kreiskolbens 3, während die Führungsschlitze im anschliessenden inneren Bereich D nur in dem Kreiskolben 3 eingelassene Nuten darstellen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, wird der Kreiskolben 3 von den Dichtungsschiebern 8-11 diametral durchsetzt, wobei die Schieber nur in dem genannten äusseren Bereich C eine der Kolbenbreite B entsprechende Höhe H (Fig. 4) aufweisen, während die Schieber in dem erwähnten inneren Bereich D, indem sie sich kreuzen, eine geringere Höhe aufweisen, wodurch Verbindungsstege 8a-11a gebildet werden, welche die beiden äusseren, höheren Teile 8b-1 1b der Schieber miteinander verbinden.
Damit sich die Schieber richtig kreuzen können, liegen die Stege 8b-llb in verschiedenen zueinander parallelen Ebenen. Statt dieser verhältnismässig komplizierten Bauart ist es auch möglich, die Führungsschlitze und die Schieber nicht durch das Kolbenzentrum zu führen und die Schieber durch Federdruck in Anlage an der Bohrungswand 1 zu halten.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weist die den sichelförmigen Arbeitsraum aussen begrenzende Bohrungswand 1 im Bewegungsbereich E der Schieberstirnflächen zu den Schieberebenen rechtwinklige ebene Flächen 1' auf.
Für die Verwendung als Zweitakt-Explosionsmotor sind die Ein- und Auslasskanäle für das Brenngemisch bzw. für die Abgabe durch Schlitze 20 bzw. 21 gebildet, die in wenigstens dem einen der den sichelförmigen Arbeitsraum stirnseitig begrenzenden Gehäusedeckel ausgenommen sind. Die Schlitze 20, 21 sind dabei derart angeordnet, dass sie vom Kreiskolben 3 und von den Schiebern unmittelbar gesteuert bzw. auf- und zugedeckt werden, wie dies bei der Beschreibung der Arbeitsweise noch näher erläutert wird.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sitzt auf den einen Kurbelachsen 5 je ein Zahnrad 22, welche Zahnräder mit der Innenverzahnung eines Zahnrades 24 in Eingriff stehen, das auf der aus dem Gehäuse 1, 6, 7 herausführenden Welle 23 sitzt.
Der vorstehend beschriebene Kreiskolben-Zweitaktmotor arbeitet wie folgt. In der Kammer 12 ist die Verdichtung des Brenngemisches beendigt und es wird die Zündung eingeleitet.
Unter dem Explosionsdruck des Brenngemisches führt der Kreiskolben 3, ohne sich um seine Mittelachse zu drehen, eine Schwingbewegung aus, wobei sich jeder Punkt des Kolbens auf einer Kreisbahn bewegt, deren Durchmesser demjenigen des Kurbelzapfenkreises entspricht.
Nach einer Achtelschwingung des Kreiskolbens 3 im Sinne der Pfeile F befindet sich der Kolbensektor 3a gegenüber den Kurbelzapfen 4 und den Schlitzen 20 und 21 in einer Stellung, wie sie in Fig. 1 für den Kolbensektor 3b gezeichnet ist. Das Volumen der Brennkammer 12 entspricht nun demjenigen der Brennkammer 13 und die Brenngase befinden sich in der Expansionsphase. Nach einer weiteren Achtelschwingung befindet sich der Kolbensektor 3a gegenüber den Kurbelzapfen 4 und den Schlitzen 20, 21 in einer Stellung, wie sie in Fig. 1 für den Kolbensektor 3c gezeichnet ist. Das Volumen der Brennkammer 12 entspricht nun demjenigen der Brennkammer 14; die Brenngase befinden sich immer noch in der Expansionsphase, jedoch unmittelbar vor dem Austritt durch den Auslasschlitz 21, der in dieser Stellung noch vom Kolben und von dem zugehörigen Schieber verdeckt ist.
Nach einer weiteren Achtelschwingung nimmt der Kolbensektor 3a eine Stellung ein, wie sie für den Kolbensektor 3d gezeichnet ist.
Die Brenngase sind nun völlig expandiert und können durch den teilweise freigelegten Auslasschlitz 21 abströmen. Gleichzeitig wird durch den teilweise freigelegten Einlasschlitz 20 neues Brenngemisch in die Brennkammer eingeblasen und der Rest der verbrannten Gase durch den Auslasschlitz 21 ausgetrieben. Nach einer weiteren Achtelschwingung nimmt der Kolbensektor 3a eine Stellung ein, wie sie für den Kolbensektor 3e gezeichnet ist. In dieser Stellung befindet sich die Brennkammer immer noch im Gaswechselbereich. Nach einer weiteren Achtelschwingung befindet sich der Kolbensektor 3a in einer dem Sektor 3f entsprechenden Stellung gegenüber den Kurbelzapfen 4 und den Schlitzen 20, 21. Diese beiden Schlitze sind nun verdeckt; das Brennkammervolumen verkleinert sich, und es beginnt die Kompressionsphase.
Nach einer weiteren Achtelschwingung befindet sich der Kolbensektor 3a in einer dem Sektor 3g entsprechenden Stellung. Das Volumen der Brennkammer hat sich weiter verkleinert und das Brenngemisch entsprechend weiter verdichtet. Nach einer weiteren Achtelschwingung nimmt der Kolbensektor 3a eine Stellung ein, die derjenigen des Sektors 3h entspricht. Die Verdichtung des Brenngemisches nähert sich ihrem Ende und nach einer weiteren Achtelschwingung befindet sich der Kolbensektor 3a wieder in der in Fig. 1 festgehaltenen Stellung, im Zeitpunkt der Zündung. Hieraus ergibt sich, dass auf jede Kreisbewegung, die der Kolben ausführt, acht Zündungen entfallen, wodurch ein weitgehend gleichförmiges Drehmoment gewährleistet wird.
Zweckmässigerweise werden beide stirnseitigen Gehäusedeckel mit Ein- und Auslasschlitzen versehen, wodurch ein rascher und sauberer Gaswechsel gewährleistet wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, sind die Schlitze 20, 21 so bemessen, dass sie jeweils zwei Brennkammern nacheinander zu bedienen vermögen, so dass man mit verhältnismässig wenig Gas-Zuund Ableitungen auskommt. Wie aus der Darstellung weiter ersichtlich ist, führen die Schieber keine Rotationsbewegungen aus, vielmehr bewegen sie sich rechtwinklig zu den Schieberebenen, und zudem nur über einen relativ sehr kurzen Weg E, was einen minimalen Verschleiss der Dichtungsflächen und eine entsprechend lange Lebensdauer gewährleistet.
Der in Fig. 5 schematisch dargestellte Explosionsmotor entspricht in seinem wesentlichen Aufbau demjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, dass er als Viertaktmotor ausgebildet ist. Demnach entfallen die Ein- und Auslasschlitze 20, 21.
An deren Stelle ist für jede Brennkammer je ein Ein- und Auslassventil 25, 26 vorgesehen, deren Offnungs- und Schliessbewegung über Kipphebel 27, 28 in üblicher Weise von Nockenwellen aus gesteuert werden. Auch hier bezeichnet 1 die Gehäusebohrung, 3 den Kreiskolben, 4 die Kurbelzapfen, 5 die Kurbelachsen und 8-11 die vier Flachschieber, wobei die Anzahl der Schieber nicht auf vier beschränkt ist.
Bei dem Beispiel nach Fig. 6, die das Schema eines Luftkompressors zeigt, bezeichnet wieder 1 die Gehäusebohrung, 3 den Kreiskolben, 4 die Kurbelzapfen, 5 die Kurbelachsen und 8-11 die vier Schieber. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, ist jeder Kolbenkammer ein Saugventil 29 und Druckventil 30 zugeordnet.
Fig. 7 zeigt das Schema einer als Flüssigkeitspumpe sowie als Luft- oder Hydraulikmotor ausgebildeten Kreiskolbenmaschine. Es bezeichnet 1 die Gehäusebohrung, 3 den Kreiskolben, 4 die Kurbelzapfen, 5 die Kurbelachsen sowie 8 und 9 zwei sich kreuzende Schieber, die den sichelförmigen Arbeitsraum in vier Arbeitskammern 12-15 unterteilen. Als Ein- und Auslassöffnungen sind für jede Kammer in wenigstens dem einen stirnseitigen Gehäusedeckel halbmondförmige Durchbrechungen 31 und 32 vorgesehen. In der Kammer 12 ist, um diese Durchbrechungen sichtbar zu machen, der zugehörige Kolbensektor weggelassen. Die beiden halbmondförmigen Durchbrechungen 31, 32 liegen auf einem gemeinsamen Teilkreis Tk', dessen Radius R dem Radius R' der Kurbelzapfen 4 entspricht.
Jeder Kreiskolbensektor ist mit einer auf dem Teilkreis Tk' liegenden, gegen die zugehörigen Durchbrechungen 31, 32 hin offenen Bohrung 33 versehen, die über eine weitere Bohrung 34 in die zugehörige Arbeitskammer ausmündet. Die Durchbrechung 32 sei an eine Druckleitung und die Durchbrechung 31 an eine Abflussleitung angeschlossen.
Wird der Arbeitskammer 12 über die halbmondförmige Durchbrechung 32, die Bohrung 33 und die Bohrung 34 ein Druckmittel, beispielsweise Druckwasser zugeleitet, so wird auf den zugehörigen Kolbensektor ein Drehmoment ausgeübt, das den Kreiskolben und die Kurbelzapfen 4 in Richtung der eingezeichneten Pfeile F in Bewegung setzt. Nach einer Viertelschwingung des Kreiskolbens nimmt die Kammer 12 ein Volumen ein, wie es in Fig. 7 für die Kammer 13 gezeichnet ist; der zugehörige Kolbensektor steht immer noch unter der Wirkung des einströmenden Druckwassers.
Nach einer weiteren Viertelschwingung nimmt der Kolbensektor eine Lage ein, wie sie für die Kammer 14 gezeichnet ist, d. h., die Kammer 12 beginnt sich wieder zu verkleinern und es befindet sich nun die halbmondförmige Durchbrechung 31, also die Auslassöffnung, vor der Mündung der Bohrung 33, in welcher Stellung das in der Kammer 12 verdrängte Wasser durch die Bohrung 34, die Durchbrechung 31 und die Bohrung 33 abfliesst. Nach einer weiteren Viertelschwingung nehmen Kolbensektor und Kammer 12 eine gegenseitige Lage ein, wie sie für die Kammer 15 gezeichnet ist. Nach einer weiteren Viertelschwingung kommt die Mündung der Bohrung 33 wieder mit der halbmondförmigen Ausnehmung 32 in Verbindung, wobei sich der beschriebene Arbeitsprozess wiederholt.
Werden die Zu- und Abflussleitungen gegeneinander vertauscht, d. h. wird die Durchbrechung 31 an die Druckleitung, und die Durchbrechung 32 an die Abflussleitung angeschlossen, so ändert sich die Drehrichtung des Kreiskolbens.
Wird der Kanal 33, statt an eine Druckleitung, an eine Saugleitung angeschlossen, und der Kreiskolben von Hand oder motorisch im Sinne der eingezeichneten Pfeile F in eine Kreisbewegung um die Kurbelachsen 5 versetzt, so wirkt die Kreiskolbenmaschine als Pumpe.
Es ist zweckmässig, die Arbeitskammern mittels in die Schieber und in die Kolbensektoren eingelassenen Dichtungsleisten abzudichten. Auch ist es möglich, verschiedene Kreiskolbeneinheiten axial neben- bzw. hintereinander anzuordnen, wobei die Kreiskolben zum Zwecke des Massenausgleiches vorteilhaft gegenüber einander versetzt angeordnet werden. In der schematisch gehaltenen Zeichnung sind die Kühl- und Schmiersysteme, weil bei Drehkolbenmaschinen allgemein bekannt, weggelassen.