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Die
Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einer Kontur, die
eine geschlossene Kurvenführung
bildet, mit einem Rotorgehäuse,
das drehbar in Bezug auf die Kontur angeordnet ist und das dem An-
oder Abtrieb der Hubkolbenmaschine dienende Drehmoment überträgt, mit
mindestens einer in dem Rotorgehäuse
angeordneten Einheit, die aus einem Zylinder und einem Kolben besteht,
wobei die Wirkungslinie des Kolbens in dem Zylinder in einer Ebene
senkrecht zur Drehachse des Rotorgehäuses liegt sowie exzentrisch
zu der Drehachse des Rotorgehäuses
ausgerichtet und geradlinig ist, und mit einem Pleuel, das starr
mit dem Kolben verbunden ist und durch Führung entlang der Kontur die
durch diese vorgegebene gesteuerte Bewegung an den Kolben überträgt, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
Hubkolbenmaschine kann zur Drehmomenterzeugung dienen und arbeitet
vorzugsweise als Verbrennungskraftmaschine, sie kann jedoch durch
geringfügig
unterschiedlich konstruktive Gestaltungen sowie Anordnungen der
Steuerkanäle auch
in Bereichen der Hydraulik eingesetzt werden. Weiterhin ist der
Einsatz gemäß der erfindungsgemäßen Lösung als
Hydraulikpumpe, Überdruckpumpe sowie
als Vakuumpumpe möglich.
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Eine
Hubkolbenmaschine dieser Art, die als Verbrennungsmotor ausgebildet
ist, geht aus der
DE 39
13 862 A1 hervor. Bei dieser bekannten Hubkolbenmaschine
ist eine Kontur in Form von Führungsschienen
vorhanden, die seitlich in einem stationären Außengehäuse verankert sind. In dem
Außengehäuse läuft ein
Rotorgehäuse
um, das somit drehbar in Bezug auf die Kontur ist. Die Zylinder
für die
Kolben sind unmittelbar in dem Rotorgehäuse ausgebildet. Die dadurch
gebildeten Kolben-Zylinder-Einheiten verlaufen mit ihren Wirkungslinien
exzentrisch zu der Drehachse des Rotorgehäuses, die zugleich die Drehachse
der Motorenwelle ist. Die Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten haben
starr daran befestigte Kolbenstangen, die sich auch als Pleuel bezeichnen lassen.
An den Kolbenstangen sind Laufrollen gelagert, welche die Führungsschienen
der Kontur beidseitig umgreifen. Die Kolben unterliegen dadurch
einer Stößel-Steuerung, ähnlich wie
die Ventile bei der Steuerung durch eine Nockenwelle. Durch die
Führung
an der Kontur wird jeder Kolben für sich geführt und gesteuert.
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Die
Hubkolbenmaschine gemäß der
DE 39 13 862 A1 hat
den Vorteil eines verhältnismäßig einfachen
Aufbaus. Da die Wirkungslinien der Kolben-Zylinder-Einheiten exzentrisch zu der
Drehachse des Rotorgehäuses
verlaufen, führt
die Verschiebung eines Kolbens auf einfache Weise zu einer Drehbewegung
der Motorenwelle und umgekehrt. Es entstehen aber gerade dadurch
im Betrieb der Hubkolbenmaschine Querkräfte, die zwischen dem Rotorgehäuse und
den Kolben wirksam sind. Eine derartige Mehrfachfunktion steht der
optimalen Gestaltung der Kolben und einem sicheren Dauerbetrieb entgegen,
weil zusätzliche
Reibungskräfte,
Verschleiß und
verstärkte
Betriebsgeräusche
auftreten.
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Aus
der
DE 24 06 855 A ist
eine weitere Hubkolbenmaschine bekannt, bei der dieser Nachteil
vermieden werden soll. Bei dieser bekannten Hubkolbenmaschine läuft ebenfalls
in einem stationären
Außengehäuse ein
Rotorgehäuse
um, in dem die Zylinder der Kolben-Zylinder-Einheiten ausgebildet
sind. Die Wirkungslinien der Kolben-Zylinder-Einheiten verlaufen
radial zum Rotorgehäuse,
kreuzen also dessen Rotationsachse. Das Rotorgehäuse ist mit der An- oder Abtriebswelle
der Maschine nicht verbunden. Stattdessen sind die Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten über Kolbenbolzen
mit einem speichenartigen Führungsteil
verbunden, das seinerseits mit der An- oder Abtriebswelle fest verbunden
ist. Die Kolbenbolzen sind an ihren Enden in einer Kontur geführt, wodurch
die Hin- und Herbewegung
der Kolben mit der Drehbewegung des Rotorgehäuses und des Führungsteils
gekoppelt ist. Auf diese Weise erfolgt die Drehmoment-Übertragung über das Führungsteil und nicht mehr seitlich
zwischen den Kolben und dem Rotorgehäuse. Die gelenkige Verbindung
zwischen den Kolben und dem Führungsteil
bedingt aber einen zusätzlichen
baulichen Aufwand mit Funktionsproblemen, die nicht ohne weiteres
zu beherrschen sind.
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Die
FR 22 77 234 A erläutert in
sehr schematischer Weise eine weitere als Verbrennungsmotor ausgebildete
Hubkolbenmaschine, bei der ein breiter, walzenähnlicher Rotor vorgesehen ist.
In dem Rotor befinden sich schlitzförmige, exzentrisch zu der Drehachse
des Rotors gerichtete Verbrennungskammern, die ihrer Funktion nach
mit den Zylindern der anderen bekannten Hubkolbenmaschinen gleichgesetzt
werden können.
In den Kammern gleiten plattenartige Kolben und greifen mit seitlich
abstehenden Rollen in Kanäle
ein, die sich in den Seitenwänden des
stationären
Außengehäuses befinden
und die Kontur der Maschine bilden. Die plattenförmigen Kolben werden unmittelbar
an den Rollen geführt;
es gibt keine Teile, die mit Pleueln vergleichbar wären. Das von
den plattenförmigen
Kolben erzeugte Drehmoment wird unmittelbar auf den walzenähnlichen
Rotor und von diesem auf die Motorenwelle übertragen. Die Belastung der
plattenförmigen
Kolben durch Querkräfte
liegt somit auch bei dieser bekannten Hubkolbenmaschine vor.
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Aus
der
DE 100 04 759
A1 geht eine Hubkolbenmaschine von einer besonderen Bauweise
hervor, die vollständig
von den bisher erläuterten
bekannten Hubkolbenmaschinen abweicht. Dabei sind in einem aus Lagertragschalen
aufgebauten Rotorgehäuse
vier Kolben-Zylinder-Einheiten angeordnet, deren Wirkungslinien
radial zur Rotationsachse des Rotorgehäuses verlaufen. Eine Hin- und
Herbewegung der Kolben kann daher noch nicht zu einer Rotation des
Rotorgehäuses
führen
und umgekehrt. Um diese gegenseitige kinematische Kopplung zu erreichen,
ist das Rotorgehäuse
drehfest mit einer besonderen Kurbelwelle verbunden, die über ein
außerhalb des
Rotorgehäuses
befindliches erstes Pleuel eine Schwingwelle in eine Hin- und Herbewegung
von jeweils 90 Grad versetzt. Die Schwingwelle durchsetzt das Rotorgehäuse, ist
aber unabhängig
von diesem verdrehbar.
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In
ihrem das Rotorgehäuse
durchsetzenden Längenbereich
weist die Schwingwelle Kröpfungen auf,
an denen dreiarmige Kolbenschwingen und an diesen wieder zweite
Pleuel angelenkt sind, die ihrerseits mit den Kolben der Kolben-Zylinder-Einheiten gelenkig
verbunden sind. Erst durch die aus der Kurbelwelle, dem ersten Pleuel,
der Schwingwelle, den dreiarmigen Kolbenschwingen und den zweiten
Pleueln bestehende Glieder- oder Getriebekette wird bei der Hubkolbenmaschine
gemäß der
DE 100 04 759 A1 erreicht,
dass beim Arbeitstakt der Kolben ein auf das Rotorgehäuse wirkendes
Drehmoment zustande kommt. Die dreiarmigen Kolbenschwingen wirken außerdem auf
geradlinig geführte
Stützrollen
ein, die zu den Kolbenstangen von Schmiermittelpumpen gehören und
nicht dazu dienen, die Bewegung der Kolben mit der Bewegung des
Rotorgehäuse
zu koppeln. Ersichtlich ist eine derartige Bauweise ungewöhnlich aufwendig
und ist nicht mehr mit der eingangs zuerst genannten Hubkolbenmaschine
zu vergleichen, deren Aufbau zumindest im Prinzip verhältnismäßig einfach
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Hubkolbenmaschine der eingangs
genannten Art zu schaffen, deren Gesamtwirkungsgrad gegenüber dem
von Hubkolbenmaschinen gemäß dem Stand
der Technik erhöht
ist, deren Steuerung konstruktiv vereinfacht ist, deren Fertigungs-
und Montageaufwand gesenkt ist, deren Laufruhe optimiert ist sowie
deren Schadstoffemissionen verringert sind.
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Diese
Aufgabe wird mit einer Hubkolbenmaschine mit den Merkmalen gemäß Anspruch
1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Während bisher
bei den üblichen
Hubkolbenmotoren das Zylindergehäuse
feststehend war und der Hubkolben über eine sich drehende Kurbelwelle
ein Drehmoment abgab, ist im vorliegenden Falle der Kolben mit dem
Rotorgehäuse
um 360° drehbar
um eine Kontur angeordnet. Auch hierbei ermöglicht eine Verbrennung eines
brennbaren Mediums in einem Verbrennungsraum, dass am Kolben ein
Druckaufbau vollzogen wird. Der Druck am Kolben liegt dabei auch
am Rotorgehäuse
an. Da dieses drehbar um die Kontur angeordnet ist und der Kolben wiederum
mit der Kontur gekoppelt ist, entsteht ein Drehmoment um die Kontur,
was zu einer Rotationsbewegung des Rotorgehäuses um die Kontur führt. Gleichzeitig
wird durch die Kopplung von Kontur und Kolben die Hubbewegung des
Kolbens gesteuert. Diese Steuerung verwirklicht die Arbeitstakte
der Hubkolbenmaschine wie Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen.
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Bevorzugt
wird dabei das 4-Takt-Prinzip angewendet. Es besteht jedoch auch
bei geeigneter Auslegung die Möglichkeit,
das 2-Takt-Verfahren anzuwenden. Das erzeugte Drehmoment ist insbesondere
davon abhängig,
wie viele Kolben im Rotorgehäuse
angeordnet sind. Das kann zum einen von der Baugröße des Rotors
abhängig
gemacht werden, und zum anderen können auch auftretende Schwingungen
berücksichtigt
werden. Insbesondere können mehrere
Rotorgehäuse
(in der Art eines Sternmotors) aneinander gekoppelt werden, so dass
eine Reihe von hintereinander liegenden Kolben entsteht, die um
eine Kontur mit dem Rotorgehäuse
beweglich sind. Vorzugsweise weist ein Rotorgehäuse drei, vier oder mehr Kolben
auf.
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Erfindungsgemäß ist also
die Wirkungslinie des Kolbens einer Zylindereinheit (Hubrichtung
des Kolbens) in einer Ebene senkrecht zur Drehachse des Rotors angeordnet
und liegt in dieser Ebene so, dass die Wirkungslinie exzentrisch
zur Drehachse des Rotors und geradlinig verläuft.
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Vorzugsweise
ist die Kontur so gestaltet, dass während eines Arbeitstaktes ein
vom Kolben begrenzter Verbrennungsraum zumindest im Wesentlichen
isochor ist, d.h. ein konstantes Volumen hat. Der Verbrennungsraum ändert sich über einen gewissen
Zeitraum des Arbeitstaktes nicht. Dadurch gelingt eine besonders
hohe Drehmomenterzeugung um die Kontur, da der Verbrennungsraum
selbst im Wesentlichen konstant bleibt. Dadurch erfolgt im Gegensatz
zu einem sonstigen Hubkolbenmotor zum einen eine vollständige Verbrennung
des Verbrennungsgases im Verbrennungsraum, und zum anderen kann
die während
der Verbrennung auftretende Temperatur und damit Druckerhöhung im
Verbrennungsraum lange ausgenutzt werden. Ein derartiger Zeitraum
eines isochoren Verbrennungsraumes wird über die Umdrehungsgeschwindigkeit
eingestellt. Ebenfalls entscheidend ist die Länge des Arbeitstaktes. Dieser
beträgt
vorzugsweise mindestens 90°, insbesondere
jedoch über
100° Drehung
um die Kontur. Bei einer entsprechenden Anpassung des Ausstoßens des
verbrannten Gases gelingt es, dass ein im Wesentlichen isochorer
Verbrennungsraum über etwa
120° und
mehr realisierbar ist.
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Vorzugsweise
weist ein Rotor vier Zylindereinheiten auf, welche um 90° zueinander
versetzt angeordnet sind. Es besteht die Möglichkeit, dass während des
Arbeitstaktes der Kolben aufgrund der Form der Kontur, welche vorzugsweise
geschlossen ist, eine Hubbewegung ausführt. Dies ist beispielsweise dann
sinnvoll, wenn dadurch eine verbesserte Durchströmung im Verbrennungsraum und
damit Verbrennung gewährleistet
sein soll. Die Hubbewegung, die durch die Kontur gesteuert wird,
ist vorzugsweise so, dass ein Ansaughub deutlich länger ist
als ein Ausstoßhub.
Vorzugsweise weist die Kontur für
diese Hubkolbenmaschine eine solche Bahnform auf, welche einen ersten,
einen zweiten, einen dritten und einen vierten Abschnitt hat, die
jeweils alle konvex, alle konkav oder alle linear sind. Die jeweiligen
Hubtakte des Kolbens sind auf diese Weise gleichmäßig. Insbesondere
sind die Abschnitte so miteinander verbunden, dass eine im Wesentlichen
gleichförmige (negative
oder positive) Beschleunigung des Kolbens erzeugt wird, so dass
eine Materialbelastung gering gehalten wird. Insbesondere im Bereich
der Umkehrpunkte wird die Kontur so ausgelegt, dass auftretende
Flächenpressungen
aufgrund der Kopplung von Kolben und Kontur möglichst gering bleiben. Eine Ausgestaltung
der Kontur sieht vor, dass diese in einer Kurvenscheibe verwirklicht
ist. Die Kurvenscheibe hat eine Nut. Die Nut ist so gestaltet, dass
sie die Kontur vorgibt, entlang welcher der Kolben entsprechend
der Kopplung verfahren wird. Vorzugsweise ist die Kontur/Kurvenführung so
ausgebildet, dass bei einem vollständigen Umlauf der Zylindereinheiten diese
zumindest einen Arbeitstakt ausführen.
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Vorzugsweise
weist die Hubkolbenmaschine eine Hubscheibe sowie eine erste und
eine zweite Kurvenscheibe auf. Die beiden Kurvenscheiben sind der
Hubscheibe gegenüberliegend
angeordnet und haben jeweils eine deckungsgleiche Kontur. Zwischen
den beiden Kurvenscheiben und der Hubscheibe wird ein Pleuel des
Kolbens über
eine entsprechende Führung
in den Nuten geführt. Über das Pleuel
wird die durch die Kontur vorgegebene gesteuerte Bewegung an den
Kolben übertragen,
der entlang des Zylinderraumes und dessen Führung seine Hubbewegung vollzieht.
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Vorzugsweise
wird der Kolben über
eine nadelgelagerte Verbindungswelle im feststehenden Kurvengetriebe
geführt.
Dabei ist die Verbindungswelle vorzugsweise einstückig, beispielsweise
gegossen oder geschmiedet. In einer weiteren Gestaltung ist diese
jedoch aus einzelnen Bauteilen zu einem Ganzen zusammengefügt. Das
Kurvengetriebe ist durch die beiden Kurvenscheiben und die Hubscheibe
gebildet. Eine spielfreie Führung
der Kolben ist durch das Versetzen der beiden Flanken der Nutkurve
gegeben. Jede Flanke weist eine eigene Rolle auf, die sich an der
Verbindungswelle befindet. Dadurch laufen die Rollen mit gegenläufigem Drehsinn und
werden dauernd auf Anlage gehalten.
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Am
Kolben der Hubkolbenmaschine ist ein von einem Dichtteil des Kolbens
getrenntes Führungsteil
angeordnet. Das Dichtteil und das Führungsteil sind mit dem Kolben
zusammengekoppelt mitbeweglich. Die mitbewegliche Kopplung dient
dazu, die auf den Kolben wirkende Kraft auf das Rotorgehäuse zu übertragen.
Das Führungsteil
ist entlang einer getrennten Führung
im Rotorgehäuse
beweglich angeordnet. Das Führungsteil
befindet sich vorzugsweise zumindest teilweise im Rotorgehäuse. Das
Dichtteil, beispielsweise gebildet über den Kolben mit seinen Kolbenringen
und dem sich daran anschließenden
Pleuel, bildet damit einen ersten Arm, während das Führungsteil einen davon getrennten zweiten
Arm bildet. Vorzugsweise sind diese beiden Arme an einem Pleuellager
wieder miteinander starr verbunden. Dadurch bilden das Dicht- und
das Führungsteil
ein Hebelsystem. Bevorzugt ist, wenn der Hebelarm des Führungsteils
kürzer
ist als der Hebelarm des Dichtteils. Auf diese Weise gelingt es, über das
Pleuellager, an dem vorzugsweise beide Arme befestigt sind, eine
besonders hohe Drehmomenterzeugung am Rotorgehäuse zu erzielen. Insbesondere
ist der Kolben mit Dicht- und Führungsteil
auf die Kontur hin so abgestimmt, dass das Führungsteil und das Dichtteil
jeweils entlang einer Geraden im Rotorgehäuse eine jeweilige Hubbewegung
ausführen können. Dadurch
sorgt insbesondere das Führungsteil
für die
Kraftübertragung
der am Kolben wirkenden Druckkraft auf das Rotorgehäuse. Eine
Hubbewegung des Führungsteils
wird dabei vorzugsweise mittels eines Lagers, insbesondere eines
Wälzlagers ausgeführt. Dieses
ist insbesondere so gestaltet, dass es in der Lage ist, eine Druckkraft
vom Führungsteil
auf das Rotorgehäuse
dauerhaft übertragen zu
können.
Das Dicht- und das Führungsteil
bilden so ein Hebelsystem zum Übertragen
einer auf den Kolben wirkenden Druckkraft über das Führungsteil auf das Rotorgehäuse. Der
Kolben mit dem Dichtteil und dem Führungsteil können aus
einem Stück
sein, beispielsweise gegossen oder geschmiedet. In einer weiteren
Ausgestaltung sind diese jedoch aus einzelnen Bauteilen zu einem
Ganzen zusammengefügt. Die
Achse des Führungsteils
schneidet die Drehachse des Rotors senkrecht.
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Der
den Verbrennungsraum mit begrenzende Kolben ist vorzugsweise so
gestaltet, dass eine Gemischrotation im Verbrennungsraum beim Ansaugvorgang
unterstützt
wird. Dieses erfolgt beispielsweise durch einen etwa zentralsymmetrisch angeordneten,
kegelförmig
ausgebildeten Kolbenboden, welcher eine Verwirbelung durch Aufbau
einer kreisringförmigen
Quetschzone verstärkt.
Vorzugsweise wird ein Einlassdrall zur Erzeugung einer Verwirbelung
im Brennraum mittels einer Schrägeinströmung in
den Verbrennungsraum erzielt. Dazu ist beispielsweise ein Einlasskanal
schräg
zur Längsachse des
Kolbens (Hubachse) angeordnet.
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Weiterhin
weist die Hubkolbenmaschine ein Rotorgehäuse auf, das einen rotationssymmetrischen
Außenmantel
besitzt. Zum einen hat dieses den Vorteil, dass eine Unwucht am
Rotorgehäuse
dadurch vermieden wird. Deswegen ist es auch bevorzugt, dass einander
entsprechende Bauteile der Hubkolbenmaschine einander gegenüberliegen
und somit paarweise angeordnet sind, um bei hohen Drehzahlen, beispielsweise
von 5000 bis 8000 min.–1, insbesondere von
12000 min–1 (Umdrehungen
pro Minute) entsprechende Unwuchtmomente zu vermeiden. Bevorzugt
angestrebt ist eine Anordnung der Bauteile derart, dass Kräfte, die
aufgrund der Rotation des Rotorgehäuses erzeugt werden, sich gegenseitig
kompensieren. Zum anderen erlaubt ein rotationssymmetrischer Außenmantel,
dass eine Gaszuführung
und Gasabführung
in die Verbrennungsräume
im Rotorgehäuse
besonders gasdicht ausgestaltet werden kann. Eine Ausführung der
Hubkolbenmaschine weist am Außenmantel
des Rotorgehäuses ein
mitdrehendes Gaswechsel-Dichtsystem
auf, dessen Oberfläche
radial vorzugsweise zumindest teilweise mit dem Außenmantel
des Rotorgehäuses
abschließt,
d.h. abdichtend anliegt. Ist das Rotorgehäuse in einem Mantelgehäuse angeordnet,
ist das mitdrehende Gaswechsel-Dichtsystem in der Lage, eine Abdichtung
zwischen dem Mantelgehäuse
und dem Rotorgehäuse
herzustellen.
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Vorzugsweise
ist das Rotorgehäuse
in einem Mantelgehäuse
angeordnet, welches eine zumindest konkave Oberfläche hat,
die einem Außenmantel
des Rotorgehäuses
gegenüberliegend
angeordnet ist. Das Gaswechsel-Dichtsystem
ist so gestaltet, dass zum einen der oder die Verbrennungsräume im Rotorgehäuse während der
jeweiligen Takte/Phasen Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Ausstoßen entsprechend
abgedichtet sind. Zum anderen gewährleistet das Dichtsystem über eine
entsprechende Zu- bzw. Abführung
des einströmenden
wie auch des ausströmenden
Gases eine möglichst
vollständige
Füllung
bzw. Leerung des Verbrennungsraumes. Dazu sind beispielsweise im
Mantelgehäuse
entsprechende Steuerkanäle
oder entsprechende Öffnungen
angeordnet, entlang derer die Befüllung bzw. Entleerung des Verbrennungsraumes
erfolgt. Die Steuerkanäle
können
entlang der dem Außenmantel des
Rotorgehäuses
gegenüberliegenden
Oberfläche oder
auch seitlich davon entlang der Seitenfläche des Rotorgehäuses angeordnet
sein. Dieses gilt auch für das
Gaswechsel-Dichtsystem.
Aufgrund des umlaufenden Gaswechsel-Dichtsystems können die
Steuerkanäle,
vorzugsweise in Form von Schlitzen, relativ lang sein, beispielsweise
sich über
10° bis
30° Drehwinkel über Auslasskanal
oder beispielsweise bis zu 120° Drehwinkel über Einlasskanal
oder mehr erstrecken; vorzugsweise ist der Einlasskanal wesentlich länger als
der Auslasskanal. Die Tiefe und die Breite des Einlasskanals und
des Auslasskanals sowie der Abstand zwischen dem Einlasskanal und
dem Auslasskanal sind abhängig
von der Größe der Hubkolbenmaschine.
Der Einlasskanal und der Auslasskanal sind den Einströmungsbedingungen
wie auch den entsprechenden Drücken
beim Ein- bzw. Ausströmen
entsprechend anpassbar.
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Vorzugsweise
weist das Gaswechsel-Dichtsystem ein unter Druck stehendes, radial
bewegliches und vorzugsweise drehbares Gleitelement auf, das am
Außenmantel
des Rotorgehäuses
außermittig
angebracht ist. Dieses Gleitelement ist beispielsweise in einer
Nut gehalten, welche am Außenmantel des
Rotorgehäuses
außermittig
angeordnet ist. Das Gleitelement, welches vorzugsweise wälzgelagert ist,
dichtet den Rotorraum gegen den gegenüberliegenden Mantelraum ab.
Dazu weist der wälzgelagerte
Gleitring vorzugsweise ebenfalls eine Oberfläche entsprechend derjenigen
des gegenüberliegenden Mantelgehäuses auf.
Diese ist vorzugsweise kugelförmig.
Weiterhin weist der Gleitring zumindest eine Dichtlippe, vorzugsweise
zwei Dichtlippen auf. Die Dichtlippe berührt das Mantelgehäuse und
entfaltet dadurch eine abdichtende Wirkung. Auf diese Weise ist
auch bei einem Überlauf
eines Zündkanals
mit einer darin angeordneten Zündkerze
die Dichtheit des Systems gewährleistet.
Bei Anordnung von beispielsweise zwei Dichtlippen an einem kreisförmigen Gleitring
umschließt
die erste Dichtlippe die zweite Dichtlippe. Beide Dichtlippen sind
kreisförmig
ineinander angeordnet. Der Gleitring wiederum führt vorzugsweise neben der
radialen Bewegung auch eine axiale Bewegung aus. Die axiale Bewegung
ist eine axiale Drehbewegung. Dazu ist der Gleitring außermittig angebracht
und in Bezug auf die Oberfläche
des Mantelgehäuses
so angeordnet, dass dieses eine Drehbewegung am Gleitring erzeugt.
Die Drehbewegung hat zum Beispiel den Vorteil, dass aufgrund dessen
eventuell vorhandene Fremdkörper
aufgrund der Radialkraft nach außen transportiert und somit aus
dem Laufweg entfernt werden.
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Um
das Drehmoment am Rotorgehäuse
abnehmen zu können,
wird vorzugsweise ein Abtrieb am Rotorgehäuse angeflanscht. Dies erfolgt
beispielsweise mittels eines Übersetzungsgetriebes, vorzugsweise
mittels eines Planetengetriebes. Dadurch ist es möglich, die
Drehzahl zu erhöhen,
aber auch abzusenken. Eine besondere Laufruhe ist zu erzielen, wenn
neben der Hubkolbenmaschine zumindest eine weitere Hubkolbenmaschine
in Mehrfachanordnung hintereinander auf einer Welle zusätzlich angeordnet
ist. Beispielsweise ist es dadurch möglich, dass eine erste Hubkolbenmaschine
gegenüber einer
zweiten Hubkolbenmaschine bezüglich
der Phase des Arbeitstaktabschnittes um 180° versetzt ist. Bei zeitlich
gleicher Zündung
der ersten und der zweiten Hubkolbenmaschine verbessert sich dadurch
die Laufruhe. Eine Weiterbildung sieht vor, dass mehrere in Mehrfachanordnung
auf einer Welle oder getrennt voneinander vorliegenden Hubkolbenmaschinen
einzeln jeweils zu- und abgeschaltet werden können. Auch besteht die Möglichkeit,
dass eine Zündung
einer Hubkolbenmaschine für
einen Zylinder ausgesetzt wird. Dieses ist beispielsweise bei der Anwendung
der Hubkolbenmaschine im Schubbetrieb zur Einsparung von Kraftstoff
möglich, wie
es bei Kraftfahrzeugmotoren bekannt ist. Eine andere Ausgestaltung
hat wiederum veränderbare
Ein- und Ausgangsöffnungen
für das
Zu- und Abströmen
des zu verbrennenden Mediums und der eventuell zuzuführenden
Luft. Diese Veränderung
ist beispielsweise mittels eines Drosselquerschnittes möglich. Der Drosselquerschnitt
wird entsprechend der geforderten Leistung vorzugsweise über eine
Motorsteuerung gesteuert oder geregelt.
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Zur
Sicherstellung eines möglichst
reibungsfreien Laufes von Kolben und weiteren beweglichen Bauteilen
weist die Hubkolbenmaschine ein von der Einbaulage der Hubkolbenmaschine
unabhängiges, d.h.
lageunabhängiges
Schmiersystem auf. Das Schmiersystem ist als lageunabhängige Druckumlaufschmierung
gestaltet. Dabei wird das Öl
von der Ölpumpe
aus dem Ölring
angesaugt. Ein Überdruckventil
innerhalb des Pumpengehäuses
begrenzt den Öldruck
und leitet das überschüssige Öl in den
Saugkanal der Pumpe zurück.
Vom Druckkanal wird das Öl über den Ölfilter
zu Ölspritzdüsen gefördert. Von dort
aus gelangt das Schmieröl
in das Rotorgehäuse. Das
Rotorgehäuse
weist mehrere mitdrehende Schmierkanäle auf. Diese verteilen das
Schmieröl auf
die betreffenden Schmierstellen. Aufgrund der Zentrifugalkräfte wird
das Schmiermedium, in der Regel Öl,
nach außen
gedrückt,
so dass vorzugsweise eine Schmierung der beweglichen Bauteile vom
Inneren des Rotorgehäuses
nach außen
erfolgt. Auf diese Weise lässt
sich die Umdrehungsgeschwindigkeit der Hubkolbenmaschine auf weitere
Weise ausnutzen.
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Der Ölrücklauf erfolgt über das
Rotorgehäuse,
das mehrere mitdrehende Schleuderkanäle aufweist. Die Zentrifugalkraft
drückt
das Schmieröl durch
die Schleuderkanäle
nach außen.
Das Öl schleudert
gegen die gegenüberliegende Ölringöffnung,
tropft ab und gelangt in den geschlossen Teil des Ölrings.
Dort wird es dem Schmierkreislauf wieder zugeführt. Dieser Vorgang wird ständig wiederholt,
um eine zuverlässige
lageunabhängige
Schmierung zu gewährleisten.
Vorzugsweise ist der Ölring um
360° drehbar,
rollengelagert und am vorderen Mantelgehäuse angeordnet. Die Abdichtung
des Ölrings
zum Saugkanal übernehmen
zwei Dichtringe, die fest mit dem Mantelgehäuse verbunden sind. Die Abdichtung
der zum Saugkanal gegenüberliegenden Seite übernimmt
ein mit einer Druckfeder versehener axial beweglicher Dichtring,
der den Ölring
ständig auf
Anlage hält.
Das Mantelgehäuse
weist Öffnungen am
Umfang auf, durch welche das Schleuderöl in die Ölringöffnung gelangt. Der Ölring ist
zweigeteilt, wobei ein erstes Ölringgehäuse mit
einem zweiten Ölringendgehäuse verbunden
ist. Der Ölring
kann aber auch aus einem Teil bestehen, beispielsweise als Gussteil.
Im Ölring
ist ein Schwimmernadelventil angeordnet, wobei durch das Schwimmernadelventil und
die im Mantelgehäuse
befindlichen Ölrücklaufbohrungen
das überschüssige Öl dem Schmierkreislauf
wieder zugeführt
wird. Der Volumeninhalt des geschlossenen Teils des Ölrings sollte
kleiner als, maximal aber gleich groß wie der Volumeninhalt der
halben Ölringöffnung sein.
Dadurch wird unnötiger Ölüberschuss
vermieden und werden Verluste aller Art minimiert. Für die Ölstandskontrolle
sind am Ölring sowie
an der Ölringabdeckung
Schaugläser
angebracht, die Markierungen aufweisen. Der Ölstand selbst wird durch eine
im Ölring
angeordnete Öleinfüll- und Ölablassschraube
geregelt.
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Der
Hubkolbenmotor gemäß der Erfindung ermöglicht die
Umsetzung von in einem brennbaren Medium enthaltener Energie in
mechanische Energie. Das Medium setzt durch Verbrennung Energie
im Verbrennungsraum frei, in welchem ein beweglicher Kolben angeordnet
ist, über
den die durch die Verbrennung entstehende Druckenergie in mechanische Energie
umgewandelt wird. Die Druckenergie erzeugt ein Drehmoment um eine
feststehende Achse, welches zur Rotation einer Brennkammer mit dem Verbrennungsraum
und dem Kolben um die feststehende Achse führt, wobei über diese Rotation mechanische
Energie abgeführt
wird. Dieses Wirkprinzip hat den Vorteil, dass es eine Kreisbewegung
bzw. -beschleunigung mit einem langen Hebelarm ausnutzen kann, wodurch
hohe Drehmomente um die feststehende Achse entstehen.
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Die
folgende Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hubkolbenmaschine
gemäß der Erfindung.
Darin ist detailliert erläutert,
wie die Umsetzung von in einem brennbaren Medium enthaltener Energie
in mechanische Energie mittels der erfindungsgemäßen Hubkolbenmaschine erfolgt.
Es zeigen:
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1:
eine Hubkolbenmaschine im Querschnitt in einer Vorderansicht (Schnitt
A-B gemäß 2);
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2:
die Hubkolbenmaschine aus 1 in einer
Seitenansicht;
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3:
einen an einer Kontur geführten
Kolben mit Dichtteil und Führungsteil;
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4:
eine Seitenansicht auf die Kontur und eine Führung des Kolbens entlang der
Kontur;
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5:
ein Gaswechsel-Dichtsystem der Hubkolbenmaschine aus 2;
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6:
eine Rotorabdichtung des Gaswechsel-Dichtsystems aus 5;
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7:
einen Dichtkörper
des Gaswechsel-Dichtsystems aus 5;
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8:
eine Dichtleiste des Gaswechsel-Dichtsystems aus 5;
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9:
eine Streifenfeder des Gaswechsel-Dichtsystems aus 5;
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10:
einen Ölring
des Schmiersystems aus 2;
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11:
eine schematische Ansicht einer Mehrfachanordnung von Hubkolbenmaschinen;
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1 zeigt
eine Hubkolbenmaschine 1. Diese hat einen ersten Kolben 2,
einen zweiten Kolben 3, einen dritten Kolben 4 und
einen vierten Kolben 5. Die Kolben 2, 3, 4, 5 sind
jeweils um 90° versetzt
in einem Rotorgehäuse 6 der
Hubkolbenmaschine 1 angeordnet. In einem inneren Bereich
des Rotorgehäuses 6 ist
ein Raum 7. Im Raum 7 ist eine Kurvenführung bzw.
Kontur 8 angeordnet. Die Kolben 2, 3, 4, 5 führen jeweils
eine Hubbewegung aus, angedeutet durch einen Doppelpfeil. Der Kolben 2, 3, 4, 5 läuft entlang
einer geraden ersten Führung.
Die erste Führung
ist als Zylindereinheit in das Rotorgehäuse 6 eingesetzt.
Der Kolben 2, 3, 4, 5 hat einen
Kolbenboden mit einem kegelförmigen
Aufsatz 10, der zentralsymmetrisch (zentrisch) angeordnet
ist. Der Aufsatz 10 gestaltet die Brennraumgeometrie mit.
Die dargestellte Kegelform des Aufsatzes 10 nützt den
Einlassdrall des einströmenden
Brennstoff-Luft-Gemisches im Ansaugvorgang aus, um im Brennraum
eine bessere Verwirbelung und damit Vermischung zu erzielen. Dadurch
verbessert sich die nachfolgende Verbrennung. Der kegelförmige Aufsatz 10 kann
zur Gestaltung des Brennraumes auch durch einen anderen Aufsatz
ersetzt werden, wobei dessen Geometrie beispielsweise von der Art
der Zuführung
des zu verbrennenden Mediums, d.h. des Brennstoffes, abhängig ist.
Beispielsweise können
verschiedene Einspritzverfahren verwendet werden, wie sie für einen Otto-
bzw. Dieselmotor typisch sind. Dazu gehören Strahleinspritzverfahren
ohne Luftdrall mit einer 6- bis 8-Lochdüse, wie es bei langsam laufenden
Großdieselmotoren
bekannt ist. Auch kann eine 3- bis 5-Lochdüse verwendet werden, wobei
bei Direkteinspritzung die zu dem jeweiligen Kolben 2, 3, 4, 5 strömende Verbrennungsluft
in Form einer Drallströmung durch
entsprechende Gestaltung des Einlassorgans eine Gemischbildung bewirkt.
Auch besteht die Möglichkeit,
Kraftstoffaufspritzung auf die Brennraumwand über eine exzentrisch angeordnete
Einlochdüse
in einen muldenförmigen
Brennraum zu spritzen. Neben Direkt-Einspritzverfahren sind auch
Nebenkammer-Verbrennungsverfahren
wie beispielsweise Wirbelkammerverfahren oder Vorkammerverfahren einsetzbar.
Bei entsprechender Gestaltung der Hubkolbenmaschine 1 gelingt
auch eine Ladungsschichtung, bei der durch innere Gemischbildung
ein entzündbares
Gemisch an der Zündkerze
erzeugt wird, während
im übrigen
Bereich des Brennraumes ein abgemagertes Gemisch vorliegt.
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Die
Hubkolbenmaschine 1 ist auch als Vielstoffmotor einsetzbar.
Aufgrund einer hohen Verdichtung der Hubkolbenmaschine 1,
die beispielsweise bei ε =
14 bis ε =
25 und höher
liegen kann, ist es möglich,
Kraftstoff unterschiedlichster Qualität ohne Motorschäden verarbeiten
zu können.
Dabei wird beispielsweise eine innere Gemischbildung eingesetzt,
wobei zur Unterstützung
der Zündung
ein zusätzlich
direkt in den Brennraum eingespritzter Brennstoffstrahl von 5–10% der
Brennstoffvollastmenge eine Entflammung sicherstellt. Bei Letzterem kann
auch eine äußere Gemischbildung
verwendet werden. Somit ist die Hubkolbenmaschine 1 für verschiedenste
Brennstoffe einsetzbar. Dazu gehören neben üblichen
Benzin- oder Dieselkraftstoff
auch Alkohol oder Gas, insbesondere auch Wasserstoff. Die für die jeweiligen
Verbrennungsverfahren notwendigen Bauteile sind in einem nicht näher dargestellten Mantelgehäuse angeordnet,
in welchem das Rotorgehäuse 6 liegt.
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Neben
unterschiedlichen Verbrennungsverfahren kann die Arbeitsweise der
Hubkolbenmaschine 1 auch durch verschiedenartige Aufladeverfahren unterstützt werden.
Dazu eignen sich Schwingsaugrohr-Aufladung, Resonanz- Aufladung oder Schaltansaugsysteme,
deren Ansaugrohrlänge
je nach Drehzahl durch Öffnen
oder Schließen
von Klappen veränderbar
ist. Neben dem Einsatz dieser Aufladungssysteme, welche die Dynamik
der angesaugten Luft (Schwingung der Luftsäule) ausnutzen, sind auch mechanische
Aufladungssysteme wie beispielsweise Verdrängerlader in Kolben- bzw. Vielzellen-
oder Rootsbauart einsetzbar. Ebenfalls einsetzbar ist Abgasturboaufladung,
wobei die einzusetzende Abgasturbine je nach Drehzahl der Hubkolbenmaschine 1 zu-
bzw. abschaltbar ist. Neben der Abgasturboaufladung ist auch Druckwellenaufladung
mit einem Druckwellenlader möglich.
Unterstützt
wird eine entsprechende Aufladung weiterhin durch Verwendung von
Ladeluftkühlung
für die
Hubkolbenmaschine 1. Auf diese Weise gelingt es, eine noch
höhere
Verdichtung zu erzielen. Ein entsprechendes Aufladeaggregat wird
dazu beispielsweise direkt oder indirekt mit dem Rotorgehäuse 6 verbunden,
um dessen Rotationsenergie mit ausnutzen zu können.
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Der
in 1 dargestellte Kolben 2, 3, 4, 5 hat weiterhin
einen ersten Kolbenring 11 und einen zweiten Kolbenring 12.
Beide Kolbenringe 11, 12 dichten einen Verbrennungsraum 13 gegen
den Raum 7 ab. Gemäß der dargestellten
Ausführung übernimmt
der zweite Kolbenring 12 auch die Funktion eines Ölabstreifringes.
Das zur Schmierung des Kolbens 2, 3, 4, 5 dienende Öl wird dabei
vom inneren Bereich des Raumes 7 nach außen zur
ersten Führung
gebracht. Weiterhin kann der Kolben dehnungsregelnde Streifeneinlagen
haben, so dass unterschiedliche Materialien und damit unterschiedliche
Ausdehnungskoeffizienten berücksichtigt
werden. Beispielsweise ist das Rotorgehäuse 6 bzw. die erste
Führung
aus Aluminium gefertigt.
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Weiterhin
ist aus 1 ersichtlich, dass der Kolben 2, 3, 4, 5 ein
Dichtteil 14 zusammen mit einem Pleuel 15 bildet.
Das Pleuel 15 ist direkt mit dem Kolben 2, 3, 4, 5 verbunden,
beide sind starr aneinandergekoppelt. Die Gestaltung der Kontur 8 erlaubt
es, dass der Kolben 2, 3, 4, 5 linear
geführt
ist. Dadurch kann beispielsweise auf einen Kolbenbolzen und dessen
Lagerung im Pleuel verzichtet werden. Die Kontur 8 weist
dazu einen gekrümmten
Abschnitt auf, um im Verbund mit der Kopplung eine lineare Führung des
Kolbens in der Hubkolbenmaschine 1 zu gewährleisten.
Weiterhin ist am Pleuel 15 eine Öffnung 16 für ein Nadellager 17 angeordnet,
wobei das Nadellager 17 eine Verbindungswelle 18 aufnimmt.
Die Verbindungswelle 18 verbindet die Kontur 8 mit
dem Pleuel 15. Dabei ist die Verbindungswelle 18 exzentrisch
zur Mitte des Kolbens 2, 3, 4, 5 angeordnet.
Dadurch bildet das Pleuel 15 einen Hebelarm. Das Pleuel 15 weist
im Querschnitt vorzugsweise eine Stegform auf. Dies erlaubt eine
gute Aufnahme und Übertragung
von Druckkräften.
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Weiterhin
ist in 1 dargestellt, dass am Pleuel 15 ein
Führungsteil 19 starr
verbunden ist. Das Führungsteil 19 ist
in einer zweiten Führung
angeordnet. Die zweite Führung
ist beispielsweise eine im Rotorgehäuse 6 angeordnete
Lauf-buchse 20. Um das Führungsteil 19 ist
vorzugsweise ein Wälzlager 21 angeordnet.
Das Wälzlager 21 erlaubt
eine weitestgehend reibungsfreie Bewegung des Führungsteils 19 in
der zweiten Führung.
Da das Führungsteil 19 mit
dem Dichtteil 14 ein Hebelsystem bildet, ist das Wälzlager 21 insbesondere
auch in der Lage, entsprechend dem Hebelsystem auftretende Druckkräfte auf
das Rotorgehäuse 6 zu übertragen.
So wie in 1 dargestellt, ist das Wälzlager 21 gegenüber der
zweiten Führung
und dem Führungsteil 19 gegenüber jeweils
beweglich. Damit das Wälzlager 21 nicht
radial nach außen
aus dem Rotorgehäuse 6 austreten
kann, ist ein Sicherungsring 22 als Wegbegrenzung im Rotorgehäuse 6 angeordnet.
Dadurch ist es möglich,
dass das Führungsteil 19 bei
einem Umlauf um 360° um
die Kontur 8 über
die zweite Führung
hinausgeraten kann, ohne aber, dass eine die Kraft übertragende
Fläche
der zweiten Führung
nicht vollständig
ausgenutzt wird. Vorteilhafterweise ist das Wälzlager 21 zumindest
ebenso lang wie die zweite Führung.
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1 zeigt
die vier Kolben 2, 3, 4, 5 in
jeweils unterschiedlicher Arbeitsposition. Die Drehrichtung ist
durch Pfeile angedeutet. Der erste Kolben 2 beginnt gerade
mit dem Ansaugen, der zweite Kolben 3 befindet sich etwa
in der Endphase des Ansaugens, der dritte Kolben 4 befindet
sich am Ende der Zündphase,
der vierte Kolben 5 befindet sich in der Arbeitsphase.
Entsprechend der jeweiligen Stellung der Kolben 2, 3, 4, 5 befindet
sich das Führungsteil 19 jeweils
in einer unterschiedlichen Position innerhalb der zweiten Führung. Das
Wälzlager 21 ist
aber so bemessen, dass es durchaus auch über die zweite Führung radial
nach innen hinausragen kann. Damit das Wälzlager 21 beispielsweise
bei Stillstand der Hubkolbenmaschine 1 nicht auf die Kontur 8 stößt, kann
eine entsprechende Wegbegrenzung vorgesehen werden. Diese ist beispielsweise
am Führungsteil 19 selbst
vorhanden, beispielsweise mittels eines Materialvorsprungs. Zum
anderen kann die zweite Führung
selbst eine derartige Wegbegrenzung aufweisen. Das Wälzlager 21 wird
vorzugsweise ebenfalls geschmiert. Die Schmiermittelzuführung erfolgt über die Ölspritzdüse 58,
die alle Bauteile ausreichend mit Schmieröl versorgt.
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Weiterhin
ist aus 1 ersichtlich, dass die Kontur
einen ersten Abschnitt A, einen zweiten Abschnitt B und einen dritten
Abschnitt C aufweist. Diese sind jeweils gekrümmt. Die Krümmung ist so ausgelegt, dass
das Führungsteil 19 wie
auch der Kolben 2, 3, 4, 5 entlang
der ersten Führung
bzw. der zweiten Führung
linear verlaufen können.
Der dritte Abschnitt C ist insbesondere zumindest teilweise so ausgestaltet,
dass während
der dort stattfindenden Arbeitsphase der Kolben 2, 3, 4, 5 im
Wesentlichen konstant in seiner Position innerhalb der ersten Führung verbleibt.
Dadurch ändert
sich der Verbrennungsraum 13 während der Arbeitsphase nicht.
Das führt
zu einer besonders hohen Druckerzeugung im Verbrennungsraum 13.
Das bewirkt über
das Hebelsystem aus Dichtteil 14 und Führungsteil 19 eine
besonders große
Drehmomentübertragung
auf das Rotorgehäuse 6.
In einem vierten Abschnitt D hat die Kontur 8 eine derartige
Form, dass der Kolben 2, 3, 4, 5 so
gelenkt wird, dass ein Ausströmen
des verbrannten Gases aus dem Verbrennungsraum 13 ermöglicht wird. Dazu
weist die Kontur 8 in Abschnitt D einen im Wesentlichen
linearen Bereich auf. Weiterhin ist die Kontur 8 so ausgebildet,
dass ein Kolbenkippen im oberen wie auch im unteren Totpunkt verhindert
wird. Damit geht auch eine Geräuschminderung
hervor. Außerdem
wird der Seitendruck des Kolbens 2, 3, 4, 5 auf
den Zylinder 9 minimiert.
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1 zeigt
weiterhin ein Gleitelement 24 des Gaswechsel-Dichtsystems 23.
Das Gaswechsel-Dichtsystem 23 ist auf einem Außenmantel 23a des
Rotorgehäuses 6 angeordnet.
Dadurch dreht sich das Gaswechsel-Dichtsystem 23 mit dem Rotorgehäuse 6 mit.
Das Gaswechsel-Dichtsystem 23 hat ein wälzgelagertes Gleitelement 24,
das außermittig an
einem Zylinderende 25 federnd in einer Nut 26 fixiert
ist und dem Verbrennungsraum 13 abdichtend gegenüber liegt.
Das Gleitelement 24 hat einen wälzgelagerten Gleitring 27,
welcher eine erste 28 und eine zweite 29 Dichtlippe
aufweist. Der Gleitring 27 ist an eine gegenüber angeordnete
Oberfläche
eines Mantelgehäuses 30 angepasst.
Die Dichtlippen 28, 29 wirken mit der Oberfläche des
Mantelgehäuses 30 dichtend
zusammen. Bei einem Überlaufen
des jeweiligen Gleitelementes 24 über einen Zündkanal 31, in dem
eine Zündkerze 32 angeordnet
ist, wird ein Zündfunke
vorzugsweise erst dann ausgelöst,
wenn sich die Zündkerze 32 innerhalb
der runden ersten Dichtlippe 28 befindet. Die Geometrie
des Zündkanals 31 im
Mantelgehäuse 30 ist
vorzugsweise so gestaltet, dass beide Dichtlippen 28, 29 für eine Abdichtung
sorgen. Somit wirkt das Gleitelement 24 als eine Art Sicherheitsschleuse:
sollte beim Überlaufen
des Zündkanals 31 ein
gewisses Gasvolumen über
die erste Dichtlippe 28 doch einmal entweichen können, so
wird dieses zumindest über
die zweite Dichtlippe 29 aufgefangen. Das Gleitelement 24 ist
innerhalb der Nut 26 wiederum so ausgelegt, dass ein seitliches
Entweichen des verdichteten Gases entlang der Nut 26 ausgeschlossen
ist. Dazu kann die Nut 26 beispielsweise einen oder mehrere
Dichtringe aufweisen. Durch die federnde Lagerung des Gleitelementes 24 ist
dieses in der Lage, bei Überlaufen
des Einlasskanals 33 und des Auslasskanals 34 sowie
des Zündkanals 31 durch
entsprechenden Gegendruck zur Oberfläche des Mantelgehäuses 30 die
Dichtung sicherzustellen.
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Das
Dichtsystem 23 gewährleistet über einer entsprechende
Zu- bzw. Abführung
des einströmenden
Gases eine möglichst
vollständige
Füllung
bzw. Leerung des Verbrennungsraumes. Dazu ist beispielsweise im
Mantelgehäuse 30 entsprechend
der Einlasskanal 33 und der Auslasskanal 34 angeordnet,
entlang derer die Befüllung
bzw. Entleerung des Verbrennungsraumes erfolgt. Der Einlasskanal 33 sowie
der Auslasskanal 34 sind entlang der dem Außenmantel 23a des
Rotorgehäuses 6 gegenüberliegenden
Oberfläche
angeordnet. Dieses gilt auch für das
Gaswechsel-Dichtsystem 23. Aufgrund des umlaufenden Gaswechsel-Dichtsystems 23 kann
der Einlasskanal 33 und der Auslasskanal 34 relativ
lang sein. Vorzugsweise ist der Einlasskanal 33 wesentlich
länger
als der Auslasskanal 34. Die Tiefe und die Breite des Einlasskanals 33 und
des Auslasskanals 34 sowie der Abstand zwischen dem Einlasskanal 33 und
dem Auslasskanal 34 ist von der Größe der Hubkolbenmaschine abhängig.
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2 zeigt
die Hubkolbenmaschine 1 gemäß 1 in einer
Seitenschnittansicht. Daraus ist ersichtlich, dass das Gaswechsel-Dichtsystem 23 einen
Dichtkörper 35 aufweist.
An den Dichtkörpern 35 sind
Dichtleisten 36 angeordnet. Über Streifenfedern 37 werden
die Dichtleisten 36 radial unter Druck gesetzt. Die Dichtkörper 35 wiederum
sind ebenfalls in der Lage, auf die Dichtleisten 36 einen
Druck aufzuprägen.
Die Druckaufprägung
erfolgt in Umfangsrichtung. Dazu trägt jeder Dichtkörper 35 eine
Schenkelfeder 38. Die Schenkelfeder 38 sorgt somit
für eine Abdichtung
zwischen dem Gleitring 27 bzw. dem Gleitelement 24 und
der am Gleitelement 24 anliegenden Dichtleiste 36.
Das Gleitelement 24 ist dabei außer-mittig angebracht, wobei
der Grad der Außermittigkeit
durch den Winkel α angedeutet
ist. Dichtkörper 35,
Dichtleisten 36 und Streifenfeder 37 sind beidseitig
am Außenmantel 23a des
Rotorgehäuses 6 in
umlaufenden Nuten fixiert. Dadurch gelingt es, dass die Ladungswechselkanäle und der
Verbrennungsraum 13 vollständig abgedichtet sind. Diese Abdichtung
ist auch dann gewährleistet,
wenn der Rotor 6 den Zündkanal 31 bzw.
die Zündkerze 32 überläuft. Das
Gaswechsel-Dichtsystem 23 ist
somit in der Lage, zum einen die Brennraumabdichtung wie auch die
Abdichtung beim Ladungswechsel zu bewirken. Zum anderen ermöglicht das
Gaswechsel-Dichtsystem 23 einen Ein- und Austritt von Gasen über radiale Öffnungen.
Dadurch entfällt
die bei üblichen Hubkolbenmotoren
notwendige komplette Steuereinheit für den Gaswechsel, was zu einer
erheblichen Reduzierung an Bauteilen und zu einem besseren Ladungswechsel
führt.
Die in 1 dargestellte Hubkolbenmaschine 1 arbeitet
in Viertakt-Arbeitsweise (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen). Bei
einer Umdrehung des Rotorgehäuses 6 vollzieht
sich somit an zwei Kolben ein Arbeitsspiel, beispielsweise an Kolben 2 und 3.
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Die
Hubkolbenmaschine 1 weist ein Mantelgehäuse 30 auf, welches
zweigeteilt ist. Ein erstes Mantelteilgehäuse 39 ist mit einem
zweiten Mantelteilgehäuse 40 verbunden.
Das rotierende Rotorgehäuse 6 ist
im Mantelgehäuse 30 angeordnet.
Vorzugsweise ist das Rotorgehäuse 6 ebenfalls
zweigeteilt. Ein erstes Rotorteilgehäuse 41 ist mit einem zweiten Rotorteilgehäuse 42 verbunden.
Die dem Außenmantel 23a des
Rotorgehäuses 6 gegenüberliegende
Oberfläche
des Mantelgehäuses 30 ist
gekrümmt,
und zwar konkav. Bezüglich
der Abdichtung hat diese kugelförmige
Ausbildung der Oberflächen den
Vorteil, dass eine gasdichte Abdichtung mittels des Gaswechsel-Dichtsystems 23 erleichtert
wird, wobei die Herstellungstoleranzen des Gaswechsel-Dichtsystems 23 so
gewählt
sind, dass die Abdichtung der Funktionsräume ausreichend gewährleistet
ist, und zwar trotz der Bewegungsfreiheit der beweglichen Teile.
Am Mantelgehäuse 30 ist
weiterhin ein Anschluss 43 angeordnet. Hierbei handelt
es sich um den Anschluss für
den Auslasskanal 34. Der im Mantelgehäuse 30 weiter verlaufende,
nur in 1 dargestellte Einlasskanal 33 ist gegenüber dem
Kolben so angeordnet, dass eine Gaszuführung außermittig erfolgt. Auf diese
Weise wird bei dem einströmenden
Gas eine Drallwirkung erzeugt. Der Grad der Außermittigkeit ist wiederum
durch den Winkel α angedeutet.
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Aus 2 ist
des Weiteren die Führung
des Pleuels bzw. des Kolbens entlang der Kontur 8 ersichtlich.
Die Kontur 8 wird von einer Hubscheibe 44 sowie
von zwei in einander gegenüberliegenden
Kurvenscheiben 45, 46 angeordneten, verlaufskongruenten
Nuten 47 gebildet. In den Nuten 47 ist eine Verbindungswelle 18 angeordnet,
deren Enden 48, 49 jeweils ein Wälzlager 50 aufweisen.
Den Wälzlagern 50 sind
wiederum Rollen 51 zugeordnet. Die Rollen 51 sowie
die Verbindungswelle 18 laufen an der Kontur 8 entlang.
Auf der Verbindungswelle 18 ist als Pleuellager ein Nadellager 17 angeordnet.
Dieses zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es hohe Lagerkräfte aufnehmen
und übertragen
kann. Dies ist vorteilhaft bei den aufgrund des Hebelsystems aus
Dichtteil und Führungsteil 19 auftretenden Kräften und
Momenten. Die äußere Flanke
der Nut 47 nimmt dabei die Fliehkräfte der Kolben 2, 3, 4, 5 auf,
wobei die Kurvenflanke der Hubscheibe 44 die Gaskräfte aufnimmt.
Die wälzgelagerte
Rolle 51 hat gegenüber
der inneren Kurvenflanke der Nut 47 Spiel. Da sie beim
Abrollen an der äußeren Kurvenflanke
eine Drehung um die eigene Achse ausführt, die gegenüber der
anderen Kurvenflanke die falsche Richtung hat. Dieses Spiel wird
durch die Hubscheibe 44 vermieden, da die beiden Flanken
der Nutkurve 47 gegeneinander versetzt sind und jede Flanke auf
der Verbindungswelle 18 eine eigene Rolle 51 aufweist.
Die Rollen 51 laufen dann mit gegenläufigem Drehsinn und können permanent
auf Anlage gehalten werden. Die Kurvenscheiben 45, 46 sind
der Hubscheibe 44 gegenüberliegend
angeordnet, wobei die Konturen deckungsgleich und unverrückbar miteinander
verschraubt sind. Die Kurvenscheiben 45, 46 sowie
die Hubscheibe 44 sind wiederum starr über den Gehäusedeckel 52 mit dem
Mantelgehäuse 30 verbunden.
Die Kurvenscheiben 45, 46 sowie die Hubscheibe 44 dienen
weiterhin auch als Abstützung für eine Rotorgehäuselagerung,
die hier als Wälzlagerung 53 ausgebildet
ist.
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In 2 ist
ein Schmiersystem 54 dargestellt. Das Schmiersystem 54 ist
im Rotorgehäuse 6 sowie
am Mantelgehäuse 30 angeordnet
und weist eine Ölpumpe 55 auf.
Diese ist durch die Mitnehmerscheibe 56 so an das Rotorgehäuse 6 gekoppelt, dass
diese angetrieben wird. Das Schmiersystem 54 ist als von
der Einbaulage der Hubkolbenmaschine unabhängige, d.h. lageunabhängige Druckumlaufschmierung
gestaltet. Dabei wird das Öl
von der Ölpumpe 55 aus
dem Ölring 57 angesaugt,
und ein Überdruckventil
innerhalb des Pumpengehäuses
begrenzt den Öldruck
und leitet das überschüssige Öl in den
Saugkanal der Pumpe zurück.
Vom Druckkanal wird das Öl über den Ölfilter
zu den Ölspritzdüsen 58 gefördert. Von
dort aus gelangt das Schmieröl
in das Rotorgehäuse 6.
Wegen besserer Übersichtlichkeit sind Überdruckventil, Ölfilter
sowie die Ölkanäle auch in
den einzelnen zugehörigen
Zeichnungen nicht näher
dargestellt. Das Rotorgehäuse 6 weist
mehrere mitdrehende Schmierkanäle 59 auf;
diese verteilen das Schmieröl
auf die betreffenden Schmierstellen. Aufgrund der Zentrifugalkräfte wird
das Schmiermedium, in der Regel Öl,
nach außen
gedrückt,
so dass vorzugsweise ein Schmierung der beweglichen Bauteile vom
Inneren des Rotorgehäuses 6 nach
außen erfolgt.
Auf diese Weise lässt
sich die Umdrehungsgeschwindigkeit der Hubkolbenmaschine auf weitere Weise
ausnutzen. Der Ölrücklauf erfolgt über das
Rotorgehäuse 6,
welches mehrere mitdrehende Schleuderkanäle 60 aufweist. Die
Zentrifugalkraft drückt
das Schmieröl
durch die Schleuderkanäle 60 nach
außen.
Das Öl
schleudert gegen die gegenüberliegende Ölringöffnung 61,
tropft ab und gelangt in den geschlossen Teil des Ölrings 57.
Dort wird es dem Schmierkreislauf wieder zugeführt. Dieser Vorgang wiederholt
sich ständig,
um eine zuverlässige
lageunabhängige
Schmierung zu gewährleisten.
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Vorzugsweise
ist der Ölring 57 um
360° drehbar,
auf Rollen 62 gelagert und im ersten Mantelteilgehäuse 39 angeordnet.
Die Abdichtung des Ölrings 57 zum
Saugkanal 63 übernehmen
zwei Dichtringe 64, die fest mit dem ersten Mantelteilgehäuse 39 verbunden
sind. Die Abdichtung der dem Saugkanal 63 gegenüberliegenden
Seite übernimmt
eine mit einer Druckfeder 65 versehener axial beweglicher
Dichtring 66 der in einer Nut 67 fixiert ist und
der den Ölring 57 ständig auf
Anlage hält.
Das erste Mantelteilgehäuse 39 weist Öffnungen 68 am
Umfang auf, durch welche das Schleuderöl in die Ölringöffnung 61 gelangt.
Der Ölring 57 ist
zweigeteilt, wobei ein erstes Ölringgehäuse 69 mit
einem zweiten Ölringendgehäuse 70 verbunden
ist. Der Ölring 57 kann
aber auch aus einem Teil bestehen, beispielsweise als Gussteil.
Im Ölring 57 ist
ein Schwimmernadelventil 71 angeordnet. Durch das Schwimmernadelventil 71 und
die im ersten Mantelteilgehäuse 39 befindlichen Ölrücklaufbohrungen 72 wird
das überschüssige Öl bzw. werden
Leckagen dem Schmierkreislauf wieder zugeführt.
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Um
schon beim Start der Hubkolbenmaschine 1 einen ausreichenden Öldruck vorliegen
zu haben, ist es weiterhin möglich,
dass beispielsweise ein Öldruckspeicherbehälter zusätzlich mit
angeordnet ist. Dieser wird während
des Betriebes der Hubkolbenmaschine 1 immer unter Druck
gehalten. Dieser Druck baut sich auch nach Abstellen der Hubkolbenmaschine 1 nicht
ab. Vielmehr gibt er diesen Druck erst frei, wenn die Hubkolbenmaschine 1 gestartet werden
soll. Auch besteht die Möglichkeit,
eine vom Rotorgehäuse 6 getrennte Ölpumpe vorzusehen. Diese
ist beispielsweise über
eine externe Energiequelle, wie eine Batterie, versorgbar. Eine
Weiterbildung sieht vor, dass eine Ölpumpe über eine externe Energiequelle
wie auch über
die Hubkolbenmaschine 1 selbst versorgt wird. Dabei besteht
die Möglichkeit, zu
einem vorgebbaren Zeitpunkt von der einen Energiequelle auf die
andere Energiequelle umzuschalten.
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2 zeigt
einen Abtrieb 73 der Hubkolbenmaschine 1. Der
Abtrieb 73 kann direkt auf eine mechanische Energie aufnehmende
Einrichtung wirken. Weiterhin besteht die Möglichkeit, eine Kupplung vorzusehen.
Eine Weiterbildung sieht vor, ein Getriebe vorzusehen. Vorzugsweise
ist das Getriebe ein Planetengetriebe 74. Ein weiterer
Vorteil ergibt sich, wenn ein stufenloses Getriebe eingesetzt wird.
Die Hubkolbenmaschine 1 ist dann in der Lage, mit konstanter
Drehzahl betrieben zu werden. Die benötigte Drehzahl der Energie
aufnehmenden Einrichtung wird dann mittels des stufenlosen Getriebes
eingestellt. Auch ist es auf diese Weise möglich, das abgenommene Drehmoment
zu ändern.
Neben einem stufenlosen Getriebe ist auch der Einsatz eines Getriebes
mit Getriebestufen möglich.
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3 zeigt
einen Ausschnitt des Hubkolbenmotors 1, wie er in 1 und 2 dargestellt
ist. Dargestellt ist das Hebelsystem aus Dichtteil 14,
Führungsteil 19 und
Kontur 8. Die Rollen 51 des Hebelsystems befinden
sich entlang der Kontur 8 in einer Position, in der ein
hohes Drehmoment auf das Rotorgehäuse 6 übertragen
wird. Diese Übertragung wird
durch ein Kräftedreieck
mit entsprechender Bemaßung
exemplarisch aufgezeigt. Während
auf die Mitte des Kolbens 2, 3, 4, 5 beispielsweise
eine maximale Gaskraft F1 von 2600 N wirkt,
führt der
Abstand I2 von beispielsweise 38 mm zwischen
der Kolbenmittelachse und der Rollenmittelachse bei einer Kraftwirkung
aufgrund der Geometrie des Kolbens 2, 3, 4, 5 zu
einer berechneten Kraftwirkungsrichtung, die einen Winkel β von etwa
34° ergibt. Übertragen auf
die wirkende Kraft auf das Rotorgehäuse 6 ergibt sich
bei einer entsprechenden Auslegung des Führungsteils 19 eine
Kraft F2 von ca. 3850 N. Dabei ist eine
mittlere wirkende Länge
L, von ca. 25 mm (wirksamer mittlerer Hebelarm) angenommen. Anhand dieses
Beispiels ist aufgezeigt, wie mittels des Hebelsystems die auf den
Kolben 2, 3, 4, 5 wirkende Kraft zu
einer Drehmomenterhöhung
ausnutzbar ist. Die Krafterhöhung
von F1 = 2600 N auf F2 =
3850 N ist hier nur exemplarisch. Je nach Änderung der Hebelwege und der
kraftübertragenden
Flächen,
sei es am Kolben 2, 3, 4, 5 oder
aber am Führungsteil 19,
lässt sich
das für
die jeweilige Anwendung geeignetste Drehmoment einstellen, beispielsweise
unter Berücksichtigung
der auftretenden Belastungen im verwendeten Material der einzelnen
Bauteile.
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Neben
der in 3 dargestellten linearen Führung der Kolben 2, 3, 4, 5 und
des Führungsteils 19 besteht
bei entsprechender Anpassung der Kontur 8 auch die Möglichkeit,
eine gekrümmte
Führung entweder
des Führungsteils 19 oder
aber auch des Kolbens 2, 3, 4, 5 selbst
bzw. beider in Kombination miteinander vorzusehen. Dazu wird die
Kontur 8 entsprechend so angepasst, dass bei einem Umlauf
um 360° Kolben 2, 3, 4, 5 wie
auch Führungsteil 19 jeweils
entlang ihrer Führung
laufen können.
Auch besteht die Möglichkeit, über die
Geometrie der Kolbenoberfläche
die Krafteinleitungswirkung in das Hebelsystem entsprechend einstellen
zu können.
So ist es möglich,
eine resultierende Krafteinleitung anstatt mittig auch versetzt
zur Kolbenachse vorzusehen. Beispielsweise ist eine resultierende
Krafteinleitung in das Hebelsystem außermittig von der Kolbenmittelachse
möglich,
insbesondere im Bereich eines äußeren Kolbenbereiches
vorzugsweise zur Erzielung eines großen Hebelarmes. Dies ist beispielsweise über eine
entsprechende Oberflächengestaltung
des Kolbens 2, 3, 4, 5 möglich. Zweckmäßig ist
es weiterhin, wenn das Führungsteil 19 sich
radial weit nach außen
zur Kraftübertragung
erstrecken kann. Dieses verbessert die Drehmomentwirkung. Insbesondere gelingt
es dadurch, dass über
die radiale Erstreckung des Führungsteils 19 das
Integral der Flächenkraft am
Führungsteil 19 so
gestaltet wird, dass dieses entweder einer gleichmäßig steigenden
Funktion oder einer Exponentialfunktion entsprechend verläuft.
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4 zeigt
den Abschnitt aus 3 in einer Aufsicht. Die Rollen 51,
die an der Kontur 8 anliegen, werden an diese über eine
Fliehkraft F3 von beispielsweise 800 N gedrückt. Die
Fliehkraft ist abhängig
von der Umdrehungsgeschwindigkeit. Die erste Kurvenscheibe 45 und
die zweite Kurvenscheibe 46 sind so ausgelegt, dass sie
diese Fliehkraft aufnehmen können.
Im Arbeitstakt sind die Rollen 51, die an der Kontur 8 der
Hubscheibe 44 anliegen, an diese über eine Gaskraft F1 von beispielsweise 2600 N gedrückt. Dabei
ist die Hubscheibe 44 so ausgelegt, dass sie diese Gaskraft
entsprechend aufnehmen kann. Durch entsprechende Bauteile des Hebelsystems, kann
dieses an einer jeweils entsprechenden Hubkolbenmaschine 1 mit
anderen Abmessungen angepasst werden. Vorzugsweise ist das Führungsteil 19 aus
einem Teil, wobei dieses auch als Hülsenelement auf das Hebelsystem
aufgeschraubt werden kann. Insbesondere erlaubt dieses, ein Baukastensystem aufzubauen.
Das Baukastensystem enthält
beispielsweise Kolben, Pleuel, Lager, Rollen, Hubscheibe, Kurvenscheiben,
etc.
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5 zeigt
das Gaswechsel-Dichtsystem 23 aus 2. Wie in 5 dargestellt,
weist das Gaswechsel-Dichtsystem 23 vier Gleitelemente 24,
acht Dichtkörper 35 sowie
sechzehn Dichtleisten 36 und sechzehn Streifenfedern 37 auf.
An die Dichtkörper 35 sowie
an die Gleitelemente 24 dichtend angepasst sind Dichtleisten 36.
Durch die Streifenfedern 37 wird ein radialer Druck auf
die Dichtkörper 35 und
Dichtleisten 36 ausgeübt.
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6 zeigt
ein Gleitelement 24 aus 5 in auseinander
gezogener Darstellung. Das Gleitelement 24 hat einen wälzgelagerten
Gleitring 27, auf dem eine erste Dichtlippe 28 und
eine zweite Dichtlippe 29 angeordnet sind. Der Gleitring 27 ist
zusammen mit einem Kugelkäfig 75,
einem Laufring 76 und einer Tellerfeder 77 als
Radialdruckeinrichtung für das
Gleitelement 24 in einer am Zylinder befindlichen Nut 26 fixiert.
Der Innendichtring 78 dichtet dabei das Gleitelement 24 zum
Verbrennungsraum 13 hin ab. Die Fixierung des Gleitelements 24 sowie
die Abdichtung des Gleitelements 24 zum Verbrennungsraum 13 zeigt 1.
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7 zeigt
einen Dichtkörper 35 aus 5 in
seinen näheren
Einzelheiten. Der Dichtkörper 35 enthält eine
Schenkelfeder 38, die durch einen Zylinderstift 79 fixiert
ist. Über
die Schenkelfeder 38 wird ein Druck auf die im Dichtkörper 35 anzuordnenden Dichtleisten 36 ausgeübt. Die
Schenkelfeder 38 drückt
die Dichtleisten 36 nach außen, so dass im eingebauten
Zustand in der Nut eine Kraftwirkung in Umfangsrichtung die Dichtleisten 36 auf
die Gleitelemente 24 drückt.
Dadurch werden auch die Dichtleisten 36 in ihrer Position
gehalten. Auf diese Weise ist die Abdichtung für den Gaswechsel realisiert.
Zum anderen erlaubt dieses eine Abdichtung von Bauteilen, die sich
im Inneren des Rotorgehäuses 6 befinden.
Die Dichtkörper 35 können beispielsweise
aus Silizium-Nitrit bestehen.
-
8 zeigt
eine Dichtleiste 36. Diese hat ein erstes Ende 80 und
ein zweites Ende 81. Das erste Ende 80 ist an
das Gleitelement 24 entsprechend zur Abdichtung angepasst.
Das zweite Ende 81 wiederum ist so gestaltet, dass es den
Druck von der Schenkelfeder 38 aufnimmt und in die Dichtleiste 36 zum
ersten Ende 80 insbesondere gleichförmig überträgt. Die Dichtleiste 36 selbst
kann wiederum aus Silizium-Nitrit bestehen.
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9 zeigt
eine Möglichkeit,
einen Radialdruck auf eine Dichtleiste 36 auszuüben. Diese
Radialdruckeinrichtung hat die Form einer Streifenfeder 37.
Durch die Wellung erlaubt es die Streifenfeder 37, dass über den
Umfang verteilt mehrere Krafteinleitungspunkte an der Dichtleiste 36 anliegen.
Dieses führt
zu einer gleichförmigen
Druckausübung
in radialer Richtung und damit einer besonders wirkungsvollen Abdichtung.
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10 zeigt
einen Ölring 57 des
Schmiersystems 54. Der Ölring 57 ist
zweigeteilt. Ein erstes Ölringgehäuse 69 ist
mit einem zweiten Ölringendgehäuse 70 verbunden.
Der Ölring 57 hat
einen ersten Abschnitt E und einen zweiten Abschnitt F. Diese sind der
Drehachse des Ölrings 57 jeweils
radial zugeordnet. Der Abschnitt E stellt dabei den geschlossenen Teil,
der Abschnitt F den offenen Teil des Ölrings 57 dar. Der
Volumeninhalt des geschlossenen Teils im Abschnitt E des Ölrings sollte
kleiner als maximal aber gleich groß wie der Volumeninhalt der
halben Ölringöffnung des
Abschnittes F sein. Dadurch wird unnötiger Ölüberschuss vermieden und werden Öl- und hydraulische
Verluste minimiert. Die Ölrückführung erfolgt über das
Schwimmernadelventil 71, das im Ölring 57 und in den Ölrücklaufbohrungen 72 im ersten
Mantelteilgehäuse 39 angeordnet
ist. Vorzugsweise ist der Ölring 57 auf
Rollen 62 gelagert, damit sich dieser leichter um seine
eigene Achse um 360° drehen
kann. Für
die Ölstandskontrolle
sind am Ölring 57 sowie
an der Ölringabdeckung
Schaugläser 82 angebracht,
die Markierungen aufweisen, um den Ölstand messen zu können. Der Ölstand selbst wird
durch die im Ölring 57 angeordnete Öleinfüllschraube 83 und
die Ölablassschraube 84 geregelt.
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11 zeigt
eine Mehrfachanordnung von Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c.
Diese sind miteinander gekoppelt. Weiterhin weist diese Mehrfachanordnung
eine Aufladeeinrichtung 85 auf. Diese kann beispielsweise
eine Ladeluftkühlung 86 enthalten, welche
zweckmäßigerweise
bei einer Abgasturboaufladung vorgesehen ist. Die Hubkolbenmaschinen werden über eine
Schmiereinrichtung 87 mit Schmiermittel versorgt. Die Schmiereinrichtung
ist vorzugsweise mit den Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c so
gekoppelt, dass diese durch letztere angetrieben wird. Dann wird
bevorzugt als Schmiereinrichtung 87 eine lageunabhängige Druckumlaufschmierung
verwendet. Auch besteht die Möglichkeit,
eine externe Schmiereinrichtung 87 vorzusehen. Diese wird
beispielsweise über
eine externe Energiequelle 88, beispielsweise eine Batterie,
gespeist. Weiterhin ist eine Elektronik 89 in Verbindung
mit der Hubkolbenmaschine 1a, 1b, 1c vorgesehen.
Die Elektronik 89 steuert oder regelt diese. Beispielsweise
kann eine oder können
mehrere dieser Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c zu-
oder abgeschaltet werden. Die Elektronik 89 steuert auch
die Zündung.
Beispielsweise kann auch die Zündung
zu- bzw. abgeschaltet werden. Weiterhin regelt bzw. steuert die
Elektronik 89 die Brennstoffmenge, welche über einen
Brennstoffvorratsbehälter 90 über eine
entsprechende Gemischaufbereitung 91 oder ähnliches
den Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c zugeführt wird.
An den Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c ist
weiterhin eine Abgasnachbehandlungsvorrichtung 92 anschließbar. Dieses
ist beispielsweise ein Katalysator, eine Abgasrückführung, etc. Vorzugsweise wird
diese ebenfalls mittels der Elektronik 89 gesteuert bzw.
geregelt, und zwar unter anderem über die Brennstoffzufuhr.
-
An
den Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c ist ein
Verbraucher 93 anschließbar, der die von den Maschinen
stammende Energie umsetzt. Zwischen dem Verbraucher 93 und
den Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c ist
vorzugsweise auch ein Zwischenglied 94 angeordnet. Das
Zwischenglied 94 ist beispielsweise eine Kupplung, ein
Getriebe oder sonstiges.
-
Die
Hubkolbenmaschine 1a, 1b, 1c ist auch in
einem Verbund mit einer oder mehreren anderen Energieversorgungseinrichtungen 95 einsetzbar. Dies
kann eine Brennstoffzelle, eine Batterie oder ähnliches sein. Die Energieversorgungseinrichtung 95 versorgt
den Verbraucher 93 ebenfalls mit Energie. Über die
Elektronik 89 ist die Energieversorgungseinrichtung 95 ebenso
zu- wie abschaltbar wie eine oder mehrere der Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c.
Die Hubkolbenmaschinen 1a, 1b, 1c können dabei
beispielsweise als Grundversorger dienen. Die Energieversorgungseinrichtung 95 wird
nur bei Bedarf zugeschaltet. Dieses ist auch umgekehrt möglich. Auch
können
sich beide ergänzen.
-
Die
Hubkolbenmaschine, wie oben beschrieben, wird bevorzugt entweder
allein oder mit anderen Aggregaten zusammen betrieben. Beispielsweise
ist die Hubkolbenmaschine als Energieerzeuger in einer stationären Anwendung
einsetzbar. Beispielsweise ist dieses bei Blockheizkraftwerken möglich. Andere Anwendungsgebiete
im stationären
Bereich sind Kleinstenergieversorger oder transportable Aggregate
wie beispielsweise Notstromaggregate. Weiterhin bietet die Hubkolbenmaschine
aufgrund seines Aufbaus die Möglichkeit,
für Nutzkraftfahrzeuge,
Personenkraftfahrzeuge oder auch Kleingeräte wie Rasenmäher, Sägen und
anderes eingesetzt zu werden. Auch ist die Hubkolbenmaschine bei
anderen Transportmitteln einsetzbar, wie Motorrädern oder Mopeds.
-
Mit
dieser neuen Hubkolbenmaschine gelingt eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs. Auch
ist es damit möglich,
die weltweit bekannten Abgasvorschriften jetzt und zukünftig zu
erfüllen.
Die Hubkolbenmaschine stellt ein sehr hohes Drehmoment zur Verfügung bei
sehr niedrigen Drehzahlen. Daher sind gute Fahrleistungen möglich. Insbesondere
ist die Hubkolbenmaschine für
Fahrzeuge einsetzbar, die mit Wasserstoff betrieben werden. Durch den
Aufbau der Hubkolbenmaschine ergibt sich prinzipbedingt eine Reduzierung
der entstehenden Geräuschemissionen.
Dies ermöglicht,
die Hubkolbenmaschine auch in lärmempfindlichen
Bereichen einsetzen zu können.
Durch Aufbau einer Hubkolbenmaschine nach einem Baukastensystem
mit vielen gleichen Bauteilen gelingt eine Reduzierung der Fertigungskosten.
Durch das Arbeitsprinzip fallen aufwendige Bauteile wie beispielsweise
ein Ventiltrieb bei üblichen
Hubkolbenmotoren weg. Trotzdem bleibt die Zuverlässigkeit gewahrt. Die Verschleißteile sind aufgrund
des gegenüber üblichen
Kolbenmaschinen grundsätzlich
anderen Aufbaus von geringerer Anzahl. Dieses erleichtert zum einen
die Wartung. Zum anderen ist dadurch ein einfacher Austausch der Bauteile
mit niedrigerem Kostenaufwand möglich. Die
Hubkolbenmaschine ist so ausgelegt, dass sowohl Abdichtung bei entsprechender
Schmierung trotz einer unvermeidlichen Wärmeausdehnung und ggf. entsprechender
Verformung auch unter Belastung von Bauteilen, als auch Funktionsfähigkeit
auch bei fortschreitendem Verschleiß sichergestellt sind.
-
Das
Funktionsprinzip erlaubt viele Möglichkeiten,
die Hubkolbenmaschine zu betreiben. Vorteilhaft ist es beispielsweise,
eine Verbrennung des Kraftstoffes bei gleichem Zylindervolumen im
Arbeitstakt vorzunehmen. Auch wird die Hubkolbenmaschine so ausgelegt,
dass im Arbeitstakt den Gaskräften keine
Massenkräfte
entgegenwirken. Die vorteilhafte Viertakt-Arbeitsweise mit getrenntem
Gaswechsel erfordert gegenüber üblichen
Kolbenmotoren weniger Verlustarbeit. Die Auslegung des Kolbens mit Dicht-
und Führungsteil
als Hebelsystem ermöglicht eine
hohe Kraftübertragung
bzw. ein großes
Drehmoment. Der Brennraum kann kompakt gehalten werden, was wiederum
nur eine kleine Brennraumoberfläche
erfordert. Dieses erlaubt, die Hubkolbenmaschine flüssig- aber
auch luftzukühlen.
Dadurch, dass der Angriffspunkt der Kolbenführung weit aus dem Rotordrehpunkt
herausliegt, wird über
die Gaskraft in Verbindung mit dem Hebelarm im Arbeitstakt ein großes Drehmoment
erzeugt. Weiterhin ist an der Hubkolbenmaschine vorteilhafterweise
nur eine Zündkerze
sowie ein Vergaser bzw. Einspritzdüse notwendig. Dies verkleinert
die Anzahl der zu wartenden, auch verschleißanfälligen Bauteile. Eine Brennraumabdichtung
gelingt mittels eines Gleitringes, der insbesondere rotierend sein
kann. Durch die Rotation erhält
das Brennstoff- Luft-Gemisch einen für die Verbrennung vorteilhaften
Drall. Die Abdichtung zwischen dem Mantelgehäuse und dem Rotorgehäuse erfolgt
durch die fest-stehenden Dichtelemente in sicherer Weise. Über ein
entsprechendes Getriebe, beispielsweise ein Planetengetriebe, ist
auch eine Drehzahlerhöhung
der Hubkolbenmaschine für
den Verbraucher möglich.
Einen weiteren Vorteil und damit eine besondere Flexibilität für die Einsetzbarkeit der
Hubkolbenmaschine ist eine lageunabhängige Ölversorgung. Die Hubkolbenmaschine
kann in allen denkbaren Einsatzlagen eingesetzt werden. Trotzdem
bleibt die Ölversorgung
immer gesichert. Insgesamt ermöglicht
auch die Trennung von Einlass- und Auslasskanälen eine ausreichende Kühlung aller
ruhenden und beweglichen Bauteile. Dieses wird noch unterstützt durch
die Trennung von Verbrennungsräumen
von sonstigen beweglichen Teilen des Motors. Die Hubkolbenmaschine
gewährleistet
somit eine hohe Leistung und sichere Funktion bei wenig Störanfälligkeit.
-
- 1
- Hubkolbenmaschine
- 1a
- Hubkolbenmaschine
- 1b
- Hubkolbenmaschine
- 1e
- Hubkolbenmaschine
- 2
- Kolben
- 3
- Kolben
- 4
- Kolben
- 5
- Kolben
- 6
- Rotorgehäuse
- 7
- Raum
- 8
- Kontur
- 9
- Zylinder
- 10
- Aufsatz
- 11
- Kolbenring
- 12
- Kolbenring
- 13
- Verbrennungsraum
- 14
- Dichtteil
- 15
- Pleuel
- 16
- Öffnung/Pleuel
- 17
- Nadellager
- 18
- Verbindungswelle
- 19
- Führungsteil
- 20
- Laufbuchse
- 21
- Wälzlager
- 22
- Sicherungsring
- 23
- Gaswechsel-Dichtsystem
- 23a
- Außenmantel
- 24
- Gleitelement
- 25
- Zylinderende
- 26
- Nut/Zylinder
- 27
- Gleitring
- 28
- Erste
Dichtlippe
- 29
- Zweite
Dichtlippe
- 30
- Mantelgehäuse
- 31
- Zündkanal
- 32
- Zündkerze
- 33
- Einlasskanal
- 34
- Auslasskanal
- 35
- Dichtkörper
- 36
- Dichtleisten
- 37
- Streifenfeder
- 38
- Schenkelfeder
- 39
- Erstes
Mantelteilgehäuse
- 40
- Zweites
Mantelteilgehäuse
- 41
- Erstes
Rotorteilgehäuse
- 42
- Zweites
Rotorteilgehäuse
- 43
- Anschluss
- 44
- Hubscheibe
- 45
- Kurvenscheibe
- 46
- Kurvenscheibe
- 47
- Nuten/Kontur
- 48
- Enden/Verbindungswelle
- 49
- Enden/Verbindungswelle
- 50
- Wälzlager
- 51
- Rollen/Verbindungswelle
- 52
- Gehäusedeckel
- 53
- Wälzlagerung
- 54
- Schmiersystem
- 55
- Ölpumpe
- 56
- Mitnehmerscheibe
- 57
- Ölring
- 58
- Ölspritzdüsen
- 59
- Schmierkanäle
- 60
- Schleuderkanäle
- 61
- Ölringöffnung
- 62
- Rollen/Ölring
- 63
- Saugkanal
- 64
- Zwei
Dichtringe
- 65
- Druckfeder
- 66
- Dichtring
- 67
- Nut/Dichtring
- 68
- Öffnungen/Mantelteilgehäuse
- 69
- Erstes Ölringgehäuse
- 70
- Zweites Ölringendgehäuse
- 71
- Schwimmernadelventil
- 72
- Ölrücklaufbohrungen
- 73
- Abtrieb
- 74
- Planetengetriebe
- 75
- Kugelkäfig
- 76
- Laufring
- 77
- Tellerfeder
- 78
- Innendichtring
- 79
- Zylinderstift
- 80
- Erstes
Ende/Dichtleiste
- 81
- Zweites
Ende/Dichtleiste
- 82
- Schaugläser
- 83
- Öleinfüllschraube
- 84
- Ölablassschraube
- 85
- Aufladeeinrichtung
- 86
- Ladeluftkühlung
- 87
- Schmiereinrichtung
- 88
- Energiequelle
- 89
- Elektronik
- 90
- Brennstoffvorratsbehälter
- 91
- Gemischaufbereitung
- 92
- Abgasnachbehandlungsvorrichtung
- 93
- Verbraucher
- 94
- Zwischenglied
- 95
- Energieversorgungseinrichtung