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Die vorliegende Erfindung betrifft Kolbenkraftmaschinen und zwar Kolbenkraftmaschinen, die nicht als Brennkraftmaschine ausgebildet sind.
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Bei diesen Kolbenkraftmaschinen wird ein thermische Energie oder Druckenergie enthaltendes Fluid in zumindest einen Druckraum der Kolbenkraftmaschine eingeleitet und wirkt dort auf den Kolben der betreffenden Kolben-Zylinder-Einheit derart ein, dass dieser verschoben wird und dabei über ein an einer Kurbelwelle drehbar gelagertes Pleuel eine Rotationsbewegung der Kurbelwelle erzeugt. Auf diese Weise wird im Fluid enthaltene Energie in mechanische Rotationsenergie, also in Drehmoment, umgewandelt.
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Derartige Kolbenkraftmaschinen werden, wenn sie mit einem inkompressiblen Fluid beaufschlagt werden, als Hydraulikmotoren oder Hydromotoren bezeichnet. Sie wandeln hydraulische Energie, also Bewegungsenergie des Fluidstroms, in mechanische Arbeit um.
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Kolbenkraftmaschinen, die mit einem kompressiblen Fluid beaufschlagt werden, werden als thermische Kolbenkraftmaschinen bezeichnet. Zu diesen thermischen Kolbenkraftmaschinen gehören neben den von dieser Erfindung nicht umfassten Verbrennungsmotoren auch Dampfmaschinen, Stirlingmotoren und Gasexpansionsmotoren.
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Die von dieser Erfindung umfassten Kolbenkraftmaschinen werden als ”passive Kolbenkraftmaschinen” bezeichnet, da das die Energie zuführende Medium (zum Beispiel Druckfluid, Dampf oder Heißgas) im Gegensatz zu den aktiven Brennkraftmaschinen nicht aufgrund einer von einem Verbrennungsprozess ausgelösten chemische Reaktion expandiert, sondern es erfolgt hierbei die Umwandlung der im Fluid enthaltenen oder vom Fluid aufgenommenen Energie in mechanische Energie ausschließlich unter Nutzung der physikalischen Eigenschaften des Fluids.
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Herkömmliche passive Kolbenkraftmaschinen weisen eine einzige Kurbelwelle auf, auf die der Kolben der betreffenden Kolben-Zylinder-Einheit über ein Pleuel einwirkt. Dementsprechend treten Kippmomente im Kolben auf, die bestrebt sind, die Kolbenachse relativ zur Zylinderachse zu verkippen. Um zu verhindern, dass ein derartiges Kolbenkippen zu einem Verklemmen des Kolbens im Zylinder führt, sind die Kolben von derartigen bekannten Kolbenkraftmaschinen mit einem in Richtung der Kolbenachse verlaufenden Kolbenmantel oder mit einem sich in Richtung der Kolbenlängsachse vom Kolbenboden weg erstreckenden Kolbenhemd versehen. Kolbenmantel beziehungsweise Kolbenhemd sorgen dafür, dass der Kolben eine Ausdehnung in Axialrichtung aufweist, die ein wirksames Abstützen von Kippkräften an der Innenwand des Zylinders zulässt. Damit bei diesem Abstützen des axial bewegten Kolbens an der stationären Zylinderwand kein übermäßiger Verschleiß auftritt, ist es erforderlich, eine Schmierung zwischen dem Kolbenaußenumfang und dem Zylinderinnenumfang vorzusehen. Außerdem besitzt ein derartiger Kolben eine große Masse, die stets beschleunigt und wieder abgebremst werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine passive Kolbenkraftmaschine anzugeben, die bei minimierter Kolbenmasse einen zuverlässigen Betrieb gewährleistet, ohne dass dabei die Gefahr des Verklemmens eines Kolbens im zugehörigen Zylinder auftritt.
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Diese Aufgabe wird durch die in den nebengeordneten Patentansprüchen 1, 2, 3 und 5 angegebenen Kolbenkraftmaschinen gelöst.
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Den vier erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschinen, die als Hydraulikmotor, als Dampfmaschine, als Stirlingmotor oder als Gasexpansionsmotor ausgebildet sind, zeichnen sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass sie zumindest eine Kolben-Zylinder-Einheit, eine erste Kurbelwelle und eine zweite Kurbelwelle aufweisen, wobei die erste und die zweite Kurbelwelle zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen, wobei die Drehachsen der beiden Kurbelwellen zu einer gemeinsamen Zylinder-Mittelebene parallel verlaufen und bezüglich dieser seitlich versetzt sind, wobei jedem Kolben ein erstes und ein zweites Pleuel derart zugeordnet sind, dass das erste Pleuel mit seinem ersten Ende schwenkbar am Kolben und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der ersten Kurbelwelle drehbar gelagert ist und dass das zweite Pleuel mit seinem ersten Ende schwenkbar am Kolben und mit seinem zweiten Ende an einem Kurbelzapfen der zweiten Kurbelwelle drehbar gelagert ist, und wobei im Zylinder zumindest ein teilweise vom Kolben begrenzter Druckraum vorgesehen ist.
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Diese erfindungsgemäße Ausgestaltung der jeweiligen Kolbenkraftmaschine als Doppelkurbelwellen-Kolbenkraftmaschine bewirkt, dass der jeweilige Kolben kippmomentenfrei im Zylinder geführt wird, so dass der Kolben in Axialrichtung gesehen sehr kurz ausgeführt sein kann, da ein Abstützen von Kippmomenten auf der Innenumfangsfläche des Zylinders nicht erforderlich ist, wodurch die Masse des Kolbens gegenüber herkömmlichen Kolben bei Kolbenkraftmaschinen mit nur einer Kurbelwelle deutlich reduziert werden kann. Diese Reduzierung der Kolbenmasse trägt zu einer spürbaren Wirkungsgraderhöhung der gesamten Kolbenkraftmaschine bei, da gegenüber herkömmlichen Kolbenkraftmaschinen nur eine viel geringere Kolbenmasse bei der reziprozierenden Bewegung des Kolbens beschleunigt werden muss. Des Weiteren können Maßnahmen zur Schmierung der Laufflächen zwischen Kolbenaußenumfang und Zylinderinnenumfang deutlich herabgesetzt werden oder es kann sogar auf eine derartige Schmierung mit zusätzlichen Schmiermitteln verzichtet werden, wenn beispielsweise der Kolben an seinem Außenumfang mit selbstschmierenden oder reibungsarmen Kolbenringen versehen ist.
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Ist die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine als Stirlingmotor ausgebildet, so ist es von Vorteil, wenn zumindest zwei Kolben-Zylinder-Einheiten vorgesehen sind, von denen die eine Kolben-Zylinder-Einheit als, vorzugsweise in einen Hochtemperatur-Wärmetauscher eingebettete, Hochtemperatur-Kolben-Zylinder-Einheit und die andere Kolben-Zylinder-Einheit als, vorzugsweise in einen Niedertemperatur-Wärmetauscher eingebettete, Niedertemperatur-Kolben-Zylinder-Einheit ausgebildet ist und wenn der Kolben der Hochtemperatur-Kolben-Zylinder-Einheit und der Kolben der Niedertemperatur-Kolben-Zylinder-Einheit jeweils über entsprechende Pleuel mit den entsprechenden Kurbelwellen mit einem Kurbelwellenwinkelversatz von 90° bis 270°, vorzugsweise 90°, an den Kurbelwellen angelenkt sind. Auf diese Weise können sowohl die heiße Kolben-Zylinder-Einheit eines Stirlingmotors, als auch dessen kalte Kolben-Zylinder-Einheit in derselben Zylindermittelebene, auf derselben Seite der Kurbelwellen oder auf voneinander abgewandten Seiten gelegen, angeordnet sein, was in Verbindung mit dem Doppelkurbelwellendesign zu einer großen Laufruhe des Stirlingmotors führt.
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Ist die erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine als Gasexpansionsmotor ausgestaltet, so kann der Gasexpansionsmotor vorzugsweise als Druckgasmotor ausgebildet sein, bei dem eine Druckgasquelle mit dem Einlass des zumindest einen Druckraums verbindbar ist. Bei dieser Ausgestaltungsform wird die auf den Kolben wirkende Energie durch die Expansion des unter Druck stehenden gasförmigen Fluids, zum Beispiel von Druckluft, erzeugt.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Gasexpansionsmotor als Stirling-Heißgasmotor ausgebildet sein. Dieser Motor kann entweder zwei getrennte Kolben-Zylinder-Einheiten, einen für die Wärmeaufnahme und einen für die Wärmeabgabe, aufweisen oder er kann nach Art einer sogenannten Stirling-Beta-Konfiguration zwei in einem Zylinder gegenläufig bewegbare Kolben aufweisen.
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In einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschinen kann jeweils ein Druckraum auf den beiden in Bewegungsrichtung des Kolbens von einander abgewandten Seiten des Kolbens vorgesehen sein. Eine derart aufgebaute doppelt wirkende Kolbenkraftmaschine besitzt einen hohen Wirkungsgrad bei kompaktem Design.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Kurbelwellen über Synchronisationszahnräder miteinander in Eingriff stehen. Diese unmittelbare Synchronisation der beiden Kurbelwellen der Doppelkurbelwellen-Kolbenkraftmaschine, die durch das von den Synchronisationszahnrädern gebildete Synchronisationsgetriebe bewirkt wird, ist präzise und verschleißarm.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschinen zeichnet sich dadurch aus, dass die beiden Kurbelwellen mit ihren Lagerabschnitten in zumindest einem mit Schmierstoff versorgten Lagergehäuse gelagert und darin so angeordnet sind, dass zumindest ein Ende einer jeden Kurbelwelle aus dem Lagergehäuse, gegen den Austritt von Schmierstoff abgedichtet, herausgeführt ist, dass der oder die Kurbelzapfen einer jeden Kurbelwelle in zumindest einem vom Lagergehäuse getrennten Kurbelgehäuse aufgenommen ist beziehungsweise sind, das frei von Schmierstoff ist, und dass das Kurbelgehäuse mit zumindest einem zugeordneten Zylinder in Verbindung steht.
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Dieser Aufbau einer der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschinen ermöglicht einen schmierstofffreien Trockenlauf im Bereich des Druckraums, so dass das in den Druckraum eingeleitete Fluid, zum Beispiel das Druckgas, nicht mit Schmierstoffpartikeln verunreinigt wird. Die für die reibungsarme Lagerung der Kurbelwellen im entsprechenden Kurbelwellengehäuse erforderliche Schmierung der Kurbelwellenlager findet ausschließlich in dem vom Kurbelgehäuse abgedichtet separierten Lagergehäuse statt, so dass das Kurbelgehäuse frei von Schmierstoff ist. Die Lagerung der Pleuel am jeweiligen Kurbelzapfen und am jeweiligen Kolbenzapfen kann durch gekapselte Wälzlager erfolgen, die ebenfalls keinen Schmierstoff an das Innere des Kurbelgehäuses abgeben können.
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Auf diese Weise ist gewährleistet, dass bei einem eventuellen Gasaustausch zwischen dem Druckraum und dem Kurbelgehäuse kein Schmierstoff in das Betriebsfluid der Kolbenkraftmaschine eingetragen wird. Diese Variante der erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Kolbenkraftmaschine als doppelt wirkende Maschine ausgebildet ist, bei der jeweils ein Druckraum auf den beiden in Bewegungsrichtung des Kolbens voneinander abgewandten Seiten des Kolbens vorgesehen ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine;
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2 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine mit zwei Kolben-Zylinder-Einheiten in Reihe und
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3 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenkraftmaschine mit zwei Kolben-Zylinder-Einheiten in Boxeranordnung.
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Die in 1 schematisch dargestellte Doppelkurbelwellen-Kolbenkraftmaschine weist eine Kolben-Zylinder-Einheit 1 mit einem Zylinder 10 und einem Kolben 12 auf, der im Zylinder 10 in Richtung der Zylinderachse X hin- und herbewegbar ist. Der Kolben 12 ist an seinem Außenumfang mit zumindest einem Kolbenring, im gezeigten Beispiel mit zwei Kolbenringen 13, 14, versehen die bevorzugt aus einem selbstschmierenden Material wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) bestehen. An seiner vom Kolbenboden 15 abgewandten Seite ist der Kolben mit einem Steg 16 versehen, an welchem zwei Pleuel 2, 3 in einem jeweiligen Schwenklager 20, 30 auf herkömmliche Weise mittels nicht dargestellter Kolbenbolzen schwenkbar gelagert sind. Die Schwenklager 20, 30 sind bezüglich der Zylindermittelachse X, die im gezeigten Beispiel der Kolbenmittelachse x entspricht, versetzt zueinander jeweils auf einer Seite der Kolbenmittelachse x vorgesehen.
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Die in 1 gezeigte Kolbenkraftmaschine weist zudem zwei Kurbelwellen 4, 5 auf, die zueinander parallel verlaufen und sich gegensinnig synchron drehen. Die beiden Kurbelwellen 4, 5 sind ebenfalls auf zwei voneinander abgewandten Seiten der Zylindermittelachse X angeordnet. Jede der beiden Kurbelwellen 4, 5 ist mit einem Synchronisationszahnrad 40, 50 versehen, wobei die beiden Synchronisationszahnräder 40, 50 miteinander kämmend im Eingriff stehen.
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Das erste Pleuel 2 ist mit seinem vom Kolben abgewandten Ende schwenkbar an einem Kurbelzapfen 42 der ersten Kurbelwelle 4 drehbar gelagert. Das zweite Pleuel 3 ist mit seinem vom Kolben abgewandten Ende an einem Kurbelzapfen 52 der zweiten Kurbelwelle 5 drehbar gelagert.
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Im Zylinder 10 ist begrenzt von der Zylinderinnenwand 10'' und dem Kolbenboden 15 ein Druckraum 11 ausgebildet, der auf bekannte Weise mit einem Einlasskanal 18 und einem Auslasskanal 19 in Fluidverbindung steht. Der Einlasskanal 18 und der Auslasskanal 19 können auf herkömmliche Weise mittels nicht gezeigter Ventile geöffnet und geschlossen werden. Alternativ zu Ventilen kann auch eine herkömmliche Schiebervorrichtung oder Schlitzsteuerung am Zylindermantel zum Öffnen und Schließen des Einlasskanals 18 und des Auslasskanals 19 vorgesehen sein.
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Das Arbeitsfluid wird durch den Einlasskanal 18 in den Druckraum 11 eingeleitet und übt dort einen Druck auf den Kolbenboden 15 aus, so dass sich der Kolben 12 entlang der Zylinderachse X (in 1 nach unten) bewegt und dabei über die Pleuel 2, 3 die Kurbelwellen 4, 5 in Rotation versetzt. Die Druckausübung auf den Kolbenboden 15 kann entweder – bei einem Hydraulikmotor – durch den dynamischen Druck erfolgen, mit dem das Hydraulikfluid in den Druckraum 11 hineingedrückt wird, oder der auf dem Kolbenboden 15 wirkende Druck kann durch Expansion eines unter statischem Druck stehenden Gases erfolgen, welches in den Druckraum 11 eingeleitet wird. Es ist aber auch möglich, dass ein in den Druckraum 11 eingeleitetes Gas von einem die Zylinderwand 10' umgebenden Wärmetauscher 6 Wärme aufnimmt und dabei expandiert und den Kolben 12 nach unten drückt.
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Folglich kann die in 1 gezeigte Kolbenkraftmaschine sowohl als Hydraulikmotor, als auch als Dampfmaschine, als auch als Gasexpansionsmotor oder als Bestandteil eines Stirlingmotors dienen.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße Kolbenkraftmaschine mit zwei in Reihe angeordneten Kolben-Zylinder-Einheiten 1, 1' in Blickrichtung des Pfeils II in 1. Der Aufbau der auch in 2 nur schematisch dargestellten Kolbenkraftmaschine entspricht im Wesentlichen dem der 1. Die Zylindermittelachsen X, X' der beiden Kolben-Zylinder-Einheiten 1, 1' liegen in einer Zylinder-Mittelebene E, die der Zeichenebene der 2 entspricht. Der Kurbelwellenwinkelversatz zwischen dem ersten Kolben 12 und dem zweiten Kolben 12' beträgt in der in 2 gezeigten Ausführungsform 90°.
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Die Ausführungsform der 2 ist jedoch gegenüber dem Beispiel in 1 dahingehend abgewandelt, dass jeweils ein Druckraum 11, 11' auf der einen Seite des Kolbens (in 2 oberhalb des Kolbens) vorgesehen ist und dass ein zweiter Druckraum 17, 17' auf der vom ersten Druckraum 11, 11' abgewandten Seite des Kolbens (in 2 unterhalb des Kolbens im Kurbelgehäuse) vorgesehen ist. Auch der jeweilige zweite Druckraum 17, 17' ist auf die gleiche Weise wie der erste Druckraum 11, 11' mit einem Einlasskanal 18'', 18''' und einem Auslasskanal 19'', 19''' und einem entsprechenden Öffnungs- und Schließmechanismus, wie im Beispiel der 1 erwähnt, versehen.
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In 2 ist auch dargestellt, dass ein die Zylinder 10, 10' teilweise umschließendes Lagergehäuse 7 vorgesehen ist. Die beiden Kurbelwellen 4, 5 sind mittels Kurbelwellenlagern, von denen in 2 nur die Kurbelwellenlager 54, 56, 58 der zweiten Kurbelwelle 5 schematisch dargestellt sind, gelagert. Auch die Synchronisationszahnräder 40, 50 sind innerhalb des Lagergehäuses 7 an der jeweiligen Kurbelwelle 4, 5 angeordnet. Die innerhalb des Lagergehäuses 7 befindlichen Lager 54, 56, 58 sowie die Synchronisationszahnräder 40, 50 werden auf bekannte Weise mit Schmierstoff, beispielsweise mit Öl, versorgt.
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Die Abschnitte der Kurbelwelle, die mit den Kurbelzapfen 42, 52, 42', 52' versehen sind, sind nicht innerhalb des Lagergehäuses 7, sondern innerhalb des vom jeweiligen Zylinder 10, 10' umgrenzten Kurbelgehäuses 17'', 17''' vorgesehen.
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Das jeweilige Kurbelgehäuse 17'', 17''' ist mittels die jeweilige Kurbelwelle umgebender Wellendichtungen 70, 71, 72, 73 gegenüber dem Inneren des Lagergehäuses 7 abgedichtet, so dass kein Schmierstoff aus dem Lagergehäuse 7 in das jeweilige Kurbelgehäuse 17'', 17''' eintreten kann. Da die Lagerung des jeweiligen Pleuels am Kolben und an der Kurbelwelle mittels abgedichteter Wälzlager erfolgt, ist das jeweilige Kurbelgehäuse 17'', 17''' schmierstofffrei, so dass kein Schmierstoff in das Arbeitsfluid eintreten kann.
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Die jeweilige Kurbelwelle 4, 5 ist in dem in 2 gezeigten Beispiel an beiden Enden mittels Wellendichtungen 74, 75 aus dem Lagergehäuse 7 herausgeführt, so dass an jedem Ende einer jeden der beiden Kurbelwellen 4, 5 mechanische Rotationsenergie, also Drehmoment, abgegriffen werden kann.
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In 3 ist eine Boxeranordnung von zwei Kolben-Zylinder-Einheiten 101, 201 mit 180° Zylinderwinkel gezeigt, die eine gemeinsame Zylinderachse X'' aufweisen, aber bezüglich einer die beiden Kurbelwellenachsen 141, 151 verbindenden Ebene Z voneinander abgewandten Seiten liegen. Auch hier sind die Kurbelwellen 104, 105 über Synchronisationszahnräder 140, 150 miteinander synchronisiert. Die Pleuel 102, 103 des ersten Zylinders 112 sind unter demselben Kurbelwellenwinkel an der jeweiligen Kurbelwelle 104, 105 gelagert wie die Pleuel 202, 203 des zweiten Zylinders 212. Auf diese Weise laufen die beiden Zylinder 112, 212 mit 180° Phasenverschiebung, so dass sich der erste Kolben 112 im unteren Totpunkt befindet, während sich der zweite Kolben 212 im oberen Totpunkt befindet und umgekehrt. Die Einlasskanäle und Auslasskanäle und ihre Öffnungs- und Schließmechanismen können wie die in Bezug auf 1 beschriebenen Ausführungen ausgebildet sein.
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Auch die in 3 gezeigte Ausführung kann durch Vorsehen weiterer Paare von Kolben-Zylinder-Einheiten analog der Ausführungsform in 2 zu einer Kolbenkraftmaschine in Reihenanordnung erweitert werden, wobei dann – wie im Beispiel der 2 – einzelne Boxer-Paare von Kolben-Zylinder-Einheiten einen Kurbelwellenwinkelversatz von ebenfalls 90° zueinander wie im Beispiel der 2 aufweisen können.
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Insbesondere die in 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen sind besonders geeignet als Gasexpansionsmaschine zur Energierückgewinnung, beispielsweise in Form eines Stirlingmotors. Ein Zylinder 10, 110 einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit 1, 101 ist dabei mit einem Hochtemperatur-Wärmetauscher 6, 106 versehen, während der Zylinder 10', 210 der anderen Kolben-Zylinder-Einheit 1', 201 mit einem Niedertemperatur-Wärmetauscher 6', 206 versehen ist.
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Der Auslasskanal 19 der ersten Kolben-Zylinder-Einheit und der Einlasskanal 18' der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit sind dabei miteinander verbunden, wie nur an den oberen Zylinderabschnitten in 2 beispielhaft gezeigt ist. In diesem Fall können der Einlasskanal 18 der ersten Kolben-Zylinder-Einheit 1 sowie der Auslasskanal 19' der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 1' verschlossen sein.
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Auf analoge Weise können auch die zweiten Druckräume 17, 17' über ihren Auslasskanal beziehungsweise Einlasskanal miteinander verbunden sein und ebenfalls von entsprechenden Wärmetauschern umgeben sein, was zur Wahrung der Übersichtlichkeit in 2 nicht dargestellt ist.
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Auch die Ausführungsform in 3 kann selbstverständlich mit entsprechenden Wärmetauschern 106, 206 versehen und als Stirlingmotor ausgebildet sein, wie dies vorstehend am Beispiel der 2 beschrieben worden ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
