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Die Erfindung betrifft ein Aggregat, insbesondere einen Verbrennungsmotor oder Kompressor, mit einem Gehäuse, in dem ein erster Kolben mit einer ersten Endfläche und zumindest ein zweiter Kolben mit einer zweiten Endfläche angeordnet sind, wobei der erste Kolben und der zweite Kolben abwechselnd mit begrenztem Hub aufeinander zu und voneinander weg beweglich sind, wobei zwischen der ersten Endfläche und der zweiten Endfläche eine Arbeitskammer für ein Arbeitsmedium vorhanden ist, die sich aufgrund der Bewegungen des ersten und des zumindest einen zweiten Kolbens abwechselnd verkleinert und vergrößert, wobei der erste und der zumindest eine zweite Kolben in einem Kolbenkäfig angeordnet sind, der in dem Gehäuse aufgenommen ist.
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Ein derartiges Aggregat ist aus
WO 2011/147492 A2 bekannt.
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Das Aggregat gemäß der vorliegenden Erfindung kann in Grundbauweise als Verbrennungsmotor oder Kompressor ausgebildet sein. In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aggregats kann dieses durch Ergänzung mit einem elektromotorischen Teil auch als Hybridmotor oder als Stromgenerator, insbesondere in Anwendung in einem Fahrzeug als sogenannter ”Range-Extender”, ausgebildet sein. Die Erfindung ist auf diese Beispiele jedoch nicht beschränkt.
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Das aus dem eingangs genannten Dokument
WO 2011/147492 A2 bekannte Aggregat kann als Hybridmotor, Stromgenerator oder Kompressor ausgebildet sein und weist entsprechend einen kolbenmotorischen Teil und einen elektromotorischen Teil auf. Der kolbenmotorische Teil des bekannten Aggregats, auf den sich die vorliegende Erfindung bezieht, weist vier in einem kugelförmigen Gehäuse angeordnete Kolben auf. Jeweils zwei Kolben definieren zwischen ihren einander zugewandten Endflächen eine Arbeitskammer für ein Arbeitsmedium, so dass von den vier Kolben insgesamt zwei Arbeitskammern gebildet werden. Die jeweils eine gemeinsame Arbeitskammer bildenden zwei Kolben führen aufeinander zu und voneinander weg gerichtete Bewegungen aus, durch die die zugehörige Arbeitskammer abwechselnd verkleinert und vergrößert wird.
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Im Falle der Ausgestaltung des Aggregats als Verbrennungsmotor wird in den beiden Arbeitskammern ein Brennstoff-Luft-Gemisch als Arbeitsmedium angesaugt, verdichtet, gezündet, expandiert und wieder ausgestoßen.
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Im Fall der Ausgestaltung des Aggregats als Kompressor wird in den beiden Arbeitskammern ein Gas, insbesondere Luft, als Arbeitsmedium angesaugt, verdichtet und im verdichteten Zustand wieder ausgestoßen.
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Bei dem bekannten Aggregat sind die vier Kolben in einem gemeinsamen Kolbenkäfig angeordnet. Jeweils zwei mit ihren die jeweilige Arbeitskammer definierenden Endflächen gegenüberstehende Kolben sind in einer im Inneren des Kolbenkäfigs ausgeformten Aufnahme aufgenommen, in denen die sich an die jeweilige Endfläche anschließenden Endabschnitte der Kolben gasdicht geführt sind. Um das Einbauen der Kolben in den Kolbenkäfig zu ermöglichen, ist der Kolbenkäfig aus zwei Hälften zusammengesetzt. Im zusammengesetzten Zustand des Kolbenkäfigs bildet die jeweilige innere Wandung der Aufnahmen, in denen die Kolben mit ihren Endabschnitten gasdicht geführt sind, die jeweilige Umfangswand der jeweiligen Arbeitskammer. Bei dem bekannten Aggregat sind die Kolbenführungen somit unmittelbar in den Kolbenkäfig Integriert.
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Die Bauweise des kolbenmotorischen Teils des bekannten Aggregats weist wegen der Integration der Kolbenführungen in den Kolbenkäfig gewisse Nachteile auf.
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Ein Nachteil kann darin gesehen werden, dass das Einarbeiten oder Ausbilden der die Kolbenführungen bildenden Aufnahmen in den Kolbenkäfig mit der erforderlichen hohen Präzision schwierig ist. Eine hohe Präzision oder Maßgenauigkeit ist erforderlich, damit die Kolbendichtungen über den gesamten Hub der Kolben dichtend an der Kolbenführungswand anliegen können. Außerdem können sich Dichtigkeitsprobleme im Bereich der Arbeitskammern aufgrund der Teilung des Kolbenkäfigs in zwei Teile ergeben, da die Teilung des Kolbenkäfigs auch im Bereich der Arbeitskammern vorhanden ist.
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Ein weiterer Nachteil kann darin gesehen werden, dass die Kühlung und Schmierung der Kolben zumindest in ihrem an die jeweilige Arbeitskammer angrenzenden Bereich nicht optimal ist, weil der Kolbenkäfig im Bereich der in den Kolbenkäfig integrierten Kolbenführungen mit vollumfänglich geschlossener Wand ausgeführt sein muss. Die Wärmeabfuhr über die Kolbenkäfigwand ist für eine ausreichende Kühlung der Kolben nicht immer ausreichend.
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Ein noch weiterer Nachteil besteht darin, dass wegen der Integration der Kolbenführungen in den Kolbenkäfig für die Kolbenführungen und den Kolbenkäfig ohne hohen Aufwand keine unterschiedlichen Materialien verwendet werden können, da der Kolbenkäfig insgesamt mit Ausnahme seiner Teilung in zwei Hälften einstückig ausgebildet ist. Die Verwendung unterschiedlicher Materialien für die Kolbenführungen und den Kolbenkäfig im Übrigen kann jedoch hinsichtlich Herstellungskosten und Verschleißfestigkeit vorteilhaft sein.
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Durch die Einarbeitung der Kolbenführungen in das Material des Kolbenkäfigs ist bei einem Verschleiß der Kolbenführungen ferner nachteilhafterweise der gesamte Kolbenkäfig des bekannten Aggregats auszutauschen, was mit entsprechend höheren Kosten verbunden ist.
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Ein weiteres Aggregat, dessen kolbenmotorischer Teil als Schwenkkolbenmaschine ausgebildet ist, ist aus
DE 10 2005 038 447 B3 bekannt. Bei diesem Aggregat sind die Kolben ebenfalls unmittelbar im Inneren eines Kolbenkäfigs aufgenommen, der wiederum in dem Gehäuse gelagert ist.
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Aus
WO 2005/098202 A1 ist ein Aggregat bekannt, dessen kolbenmotorischer Teil als Schwenkkolbenmaschine ausgebildet ist, wobei dort die Kolben unmittelbar im Gehäuse angeordnet sind. Ein Kolbenkäfig ist dort nicht vorhanden.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Aggregat der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten Aggregats dadurch gelöst, dass in dem Kolbenkäfig zumindest eine von dem Kolbenkäfig trennbare Kolbenführungshülse angeordnet ist, die relativ zu dem Kolbenkäfig lagefest in diesem gelagert ist, wobei der erste Kolben und der zweite Kolben in der Kolbenführungshülse aufgenommen sind, wobei ein jeweiliger sich an die erste Endfläche bzw. an die zweite Endfläche anschließender Endabschnitt des ersten und des zumindest einen zweiten Kolbens an einer Innenwand der Kolbenführungshülse gasdicht geführt ist, so dass die Innenwand der Kolbenführungshülse zusammen mit der ersten und der zweiten Endfläche die Arbeitskammer definiert, wobei an der Innenwand nur jeweils zumindest eine an dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben angeordnete Dichtung dichtend anliegt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Aggregat sind die zumindest zwei Kolben nicht mehr unmittelbar in einer in den Kolbenkäfig in dessen Innenwand eingearbeiteten Kolbenführung aufgenommen, sondern in einer im Kolbenkäfig angeordneten Kolbenführungshülse, die mit dem Kolbenkäfig lagefest verbunden, von diesem jedoch trennbar ist. Die separate Ausgestaltung der Kolbenführung in Form einer Kolbenführungshülse hat den Vorteil, dass die Kolbenführungshülse aus einem anderen Material gefertigt werden kann als der Kolbenkäfig. Die Kolbenführungshülse kann aus einem besonders abriebfesten Material gefertigt sein, wobei die Kolbenführungshülse innenseitig ggf. mit einer Beschichtung versehen sein kann. Der Kolbenkäfig kann bspw. aus einem hochwertigen Stahl-, Titan- oder Aluminiumguss gefertigt sein, während die Kolbenführungshülse aus einer Aluminiumlegierung mit einer Nikasil-Beschichtung, aus Titan-Sintermetall, Magnesium oder Keramiksinter gefertigt werden kann. Die Kolbenführungshülse kann dabei besonders dünnwandig ausgebildet werden, was die Wärmeabfuhr von den Kolben im Bereich der Arbeitskammer deutlich verbessert. Ein weiterer Vorteil besteht daran, dass der Kolbenkäfig, da er nun nicht mehr die Gasdichtigkeit im Bereich der Arbeitskammern gewährleisten muss, zumindest im Bereich der Kolbenführungshülse mit großflächigen Durchbrechungen versehen sein kann, wodurch die Kolbenführungshülse außenseitig sehr gut für ein Schmiermittel/Kühlmittel zugänglich ist. Die Kühlung und Schmierung des kolbenmotorischen Teils des erfindungsgemäßen Aggregats ist auf diese Weise verbessert. Ein noch weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aggregats besteht darin, dass die Kolbenführungshülse bei Verschleiß ausgetauscht werden kann, ohne dass dafür der gesamte Kolbenkäfig ausgetauscht werden muss. Darüber hinaus lässt sich die Kolbenführungshülse mit der für die gasdichte Führung der Kolben erforderlichen hohen Präzision leichter herstellen, als wenn die Kolbenführungen in die Innenwand des Kolbenkäfigs mit dieser Präzision eingearbeitet werden müssen. Hierdurch ist der Herstellungsaufwand und sind damit auch die Herstellungskosten des erfindungsgemäßen Aggregats verringert. Der erste Kolben und der zweite Kolben liegen an der Innenwand der Kolbenführungshülse nur mittels jeweils zumindest einer an dem ersten Kolben und dem zweiten Kolben angeordneten Dichtung dichtend an. Die Außenwände des ersten und des zweiten Kolbens stehen dagegen nicht in direkter Berührung mit der Innenwand der Kolbenführungshülse. Hierdurch werden Reibungsverluste erheblich vermindert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Kolbenführungshülse durch Formschluss in dem Kolbenkäfig lagefest gelagert.
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Hierbei ist von Vorteil, dass für die Lagefixierung der Kolbenführungshülse im Kolbenkäfig keine zusätzlichen Mittel wie Verschraubungen oder dergleichen erforderlich sind, um die Kolbenführungshülse lagefest zu halten. Außerdem wird durch diese Maßnahme der Montageaufwand beim Einbau der Kolbenführungshülse in den Kolbenkäfig verringert und die Kolbenführungshülse lässt sich besonders einfach und schnell zum Austausch gegen eine andere Kolbenführungshülse entfernen. Der Formschluss wird vorzugsweise durch eine formschlüssige spielfreie Einfassung der Kolbenführungshülse durch den Kolbenkäfig realisiert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolbenkäfig einzelne Lager auf, an denen die Kolbenführungshülse gelagert ist, wobei der Kolbenkäfig zwischen den Lagern eine oder mehrere Durchbrechungen aufweist, so dass die Kolbenführungshülse im Bereich der Durchbrechungen außenseitig freiliegt.
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Diese Maßnahme, die bereits oben erwähnt wurde, hat den Vorteil einer verbesserten Kühlung der Kolbenführungshülse, da das Kühlmittel (Luft und/oder Öl) durch die Durchbrechungen hindurch unmittelbar an die Außenseite der Kolbenführungshülse gelangen kann. Hierdurch wird eine effiziente Wärmeabfuhr von der Kolbenführungshülse und damit eine gute Kühlung der Kolben gewährleistet.
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Weiterhin ist es in diesem Zusammenhang bevorzugt, wenn der Kolbenkäfig zwei Lager aufweist, von denen sich ein erstes Lager auf Höhe eines ersten Endes der Kolbenführungshülse und ein zweites Lager auf Höhe eines zweiten Endes der Kolbenführungshülse befindet, während sich die Durchbrechung des Kolbenkäfigs über die Arbeitskammer erstreckt.
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Bei dieser Ausgestaltung ist die Kolbenführungshülse somit vorzugsweise nur an ihren beiden Enden im Kolbenkäfig gelagert, während der Kolbenkäfig zwischen den Lagern eine Durchbrechung aufweist, die sich über die Arbeitskammer, vorzugsweise über die in Bewegungsrichtung der Kolben entsprechend deren begrenztem Hub maximale Erstreckung der Arbeitskammer erstreckt, so dass Kühlmittel (Luft und/oder Öl) an die Außenseite der Kolbenführungshülse gerade dort gelangen kann, wo die größte Wärmeentwicklung vorherrscht. In dieser Ausgestaltung ist die Kühlung der Kolbenführungshülse entsprechend weiter verbessert.
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Vorzugsweise ist an der Kolbenführungshülse ein zylindrisch scheibenförmiger Ansatz angeformt, der in einem Ringflansch des Kolbenkäfigs aufgenommen ist. Zusammen mit den beiden vorstehend genannten zwei Lagern bildet der zylindrisch scheibenförmige Ansatz eine Drei-Punkt-Lagerung der Kolbenführungshülse in dem Kolbenkäfig.
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In einer weiteren in diesem Zusammenhang stehenden Ausgestaltung sind die Lager als sich in Umfangsrichtung der Kolbenführungshülse erstreckende schmale Stege des Kolbenkäfigs ausgebildet, auf denen abschnittsweise Erhebungen vorhanden sind, an denen die Kolbenführungshülse anliegt, während die Kolbenführungshülse zwischen den Erhebungen von den Stegen außenseitig beabstandet ist.
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Aufgrund der Ausgestaltung der Lager für die Kolbenführungshülse in Form schmaler Stege wird ein möglichst großer freiliegender Bereich der Außenwand der Kolbenführungshülse geschaffen, wodurch die Kühlung der Kolbenführungshülse besonders effizient ist. Dadurch, dass die Kolbenführungshülse aber auch an den Stegen nur an abschnittsweise vorhandenen Erhebungen anliegt, während sie zwischen den Erhebungen von den Stegen außenseitig beabstandet ist, ist auch eine Kühlung der Kolbenführungshülse im Bereich der Stege gewährleistet.
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Eine noch weitere Verbesserung der Kühlung der Kolbenführungshülse im Bereich der die Lager bildenden Stege des Kolbenkäfigs wird gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung dadurch erreicht, dass die Erhebungen sich nur über einen Teil der Breite der Stege erstrecken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ragen von der ersten Endfläche bzw. von der zweiten Endfläche abgewandte Endabschnitte des ersten Kolbens und des zweiten Kolbens aus der Kolbenführungshülse heraus.
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Gemäß dieser Ausgestaltung nimmt die Kolbenführungshülse nur die der Arbeitskammer zugewandten Endabschnitte der beiden Kolben auf, d. h. die Kolbenführungshülse weist in Bewegungsrichtung der Kolben nur eine solche Erstreckung auf, wie sie für die gasdichte Führung der Kolben über den maximalen Hub der beiden Kolben erforderlich ist. Die rückseitigen Endabschnitte der beiden Kolben, die aus der Kolbenführungshülse herausragen, können somit ebenfalls sehr gut gekühlt werden. An den aus der Kolbenführungshülse herausragenden Endabschnitten können die beiden Kolben jeweils ein Lauforgan aufweisen, wobei die Lauforgane mit einem Kurvenglied in Verbindung stehen, um die Bewegungen der beiden Kolben zur Verkleinerung bzw. Vergrößerung der Arbeitskammer zu erzeugen, worauf nachfolgend noch eingegangen wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Kolbenführungshülse in ihrer Längsrichtung aus zwei voneinander trennbaren Teilen zusammengesetzt.
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Diese Ausgestaltung der Kolbenführungshülse ist dann vorteilhaft, wenn, wie in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, in dem Gehäuse ein dritter Kolben und ein vierter Kolben vorhanden sind, und der erste Kolben mit dem dritten Kolben und der zweite Kolben mit dem vierten Kolben starr verbunden ist. Im Fall einer solchen Ausgestaltung der Kolben als Zwillingskolben mit starrer Kopplung erleichtert die zweiteilige Ausgestaltung der Kolbenführungshülse die Montage der Kolbenführungshülse an den Kolben.
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Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn die zwei Teile, aus denen die Kolbenführungshülse zusammengesetzt ist, an einer Verbindungsstelle miteinander verbunden sind, die sich außerhalb der Arbeitskammer befindet.
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Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die Kolbenführungshülse keine Trennstelle im Bereich der Arbeitskammer (auch über deren maximales Volumen gesehen) aufweist, die zu Undichtigkeiten der Kolbenführungshülse im Bereich der Arbeitskammer, in der hohe Drücke herrschen können, Anlass geben könnte. An der Verbindungsstelle der beiden Kolbenführungshülsenteile außerhalb der Arbeitskammer ist zwar ebenfalls eine Dichtung erforderlich, die jedoch nicht derart hohen Drücken ausgesetzt ist wie eine Dichtung, die im Bereich der Arbeitskammer angeordnet wäre.
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Wie bereits erwähnt, ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass in dem Gehäuse ein dritter Kolben mit einer dritten Endfläche und ein vierter Kolben mit einer vierten Endfläche angeordnet sind, wobei zwischen der dritten Endfläche und der vierten Endfläche eine zweite Arbeitskammer vorhanden ist, und dass dem dritten Kolben und dem vierten Kolben eine zweite Kolbenführungshülse zugeordnet ist.
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In dieser Ausgestaltung weist das erfindungsgemäße Aggregat wie das bekannte Aggregat insgesamt vier Kolben auf, während nun die Kolbenführungen durch von dem Kolbenkäfig separat und trennbar ausgestaltete Kolbenführungshülsen realisiert sind.
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Die erfindungsgemäße Bauweise des Aggregats mit einer bzw. zwei Kolbenführungshülsen zur Führung der Kolben ist auch dann realisierbar, wenn der erste Kolben und der zumindest eine zweite Kolben um eine gemeinsame Schwenkachse schwenkbeweglich sind, wobei in diesem Fall die Kolbenführungshülse bezüglich der Schwenkachse bogenförmig gekrümmt ist.
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Weiter vorzugsweise weist der erste Kolben ein erstes Lauforgan und der zumindest eine zweite Kolben ein zweites Lauforgan auf, wobei das erste und das zweite Lauforgan entlang eines Kurvengliedes geführt sind, um die Bewegungen des ersten Kolbens und des zumindest einen zweiten Kolbens zur abwechselnden Verkleinerung und Vergrößerung der Arbeitskammer zu erzeugen.
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Dabei ist es im Falle des erfindungsgemäßen Aggregates möglich, dass der erste Kolben und der zumindest eine zweite Kolben in dem Gehäuse gemeinsam mit dem Kolbenkäfig um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen können, während das Kurvenglied bezüglich einer Drehbewegung um die Drehachse lagefest ist, oder dass das Kurvenglied in dem Gehäuse um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen kann, während der erste Kolben und der zumindest eine zweite Kolben sowie der Kolbenkäfig bezüglich einer Drehbewegung um die Drehachse lagefest sind.
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Wie bereits eingangs erwähnt, lässt sich das erfindungsgemäße Aggregat zusätzlich mit einem elektromotorischen Teil ausgestalten, so dass das erfindungsgemäße Aggregat nicht nur als reiner Verbrennungsmotor oder reiner Kompressor, sondern auch als Kombination aus Verbrennungsmotor und Elektromotor, als Stromgenerator oder auch als elektromotorisch betriebener Kompressor realisieren lässt.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Aggregat in perspektivischer Ansicht mit geschlossenem Gehäuse;
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2 das Aggregat in 1 in perspektivischer Darstellung, wobei eine Gehäusehälfte abgenommen ist;
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3 eine perspektivische Schnittdarstellung des Aggregats in 1, wobei die Schnittebene parallel und versetzt zur Mittelebene des Aggregats verläuft;
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4 einen kolbenmotorischen Teil des Aggregats in 1 in perspektivischer Darstellung;
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5 den kolbenmotorischen Teil in 4, wobei gegenüber 4 Teile abgenommen wurden;
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6 den kolbenmotorischen Teil in 4 in perspektivischer Darstellung, wobei gegenüber 4 Kolben des kolbenmotorischen Teils weggelassen wurden und ein Kolbenkäfig des kolbenmotorischen Teils in auseinandergezogener Darstellung gezeigt ist;
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7 den kolbenmotorischen Teil in 6, wobei eine Kolbenkäfighälfte abgenommen wurde;
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8 den kolbenmotorischen Teil gemäß 7, wobei Kolben des kolbenmotorischen Teils weggelassen wurden;
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9 den kolbenmotorischen Teil gemäß 8, wobei Teile von Kolbenführungshülsen des kolbenmotorischen Teils abgenommen wurden;
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10 eine Kolbenkäfighälfte des kolbenmotorischen Teils in perspektivischer Darstellung und in Alleinstellung; und
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11 das Aggregat in 1 in einem Schnitt entlang einer Ebene senkrecht zur Schnittebene in 3.
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In 1 bis 3 und 11 ist ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes Aggregat dargestellt. Das Aggregat 10 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Verbrennungsmotor mit integriertem elektromotorischen Teil ausgestaltet und kann in dieser Ausgestaltung als Stromgenerator und in einem Fahrzeugantrieb als sog. ”Range-Extender” verwendet werden. Weitere Einzelheiten des Aggregats sind in 4 bis 10 dargestellt.
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Das Aggregat 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das im Wesentlichen durch zwei Gehäusehälften 14 und 16 gebildet wird. Die beiden Gehäusehälften 14 und 16 sind über eine Mehrzahl an Schrauben, von denen in 1 eine Schraube mit dem Bezugszeichen 18 versehen ist, abgedichtet aneinander befestigt. In 2 ist die eine Gehäusehälfte 14 von der anderen Gehäusehälfte 16 abgenommen. Dort sind in der Gehäusehälfte 16 Bohrungen 20 gezeigt, in die die Schrauben 18 (1) zum Befestigen der beiden Gehäusehälften 14 und 16 aneinander eingreifen.
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In dem Gehäuse 12 ist ein elektromotorischer Teil 22 angeordnet, auf den später noch eingegangen wird.
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In dem Gehäuse 12 ist außerdem ein kolbenmotorischer Teil 24 angeordnet, der nachfolgend insbesondere auch mit Bezug auf 4 bis 10 näher beschrieben wird.
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Gemäß 3 bis 5 weist der kolbenmotorische Teil 24 einen ersten Kolben 26, einen zweiten Kolben 28, einen dritten Kolben 30 und einen vierten Kolben 32 auf. Der erste Kolben 26 und der dritte Kolben 30 sind miteinander starr verbunden und bilden somit einen Zwillingskolben, und ebenso sind der zweite Kolben 28 und der vierte Kolben 32 starr miteinander verbunden, um einen zweiten Zwillingskolben zu bilden.
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Alle vier Kolben 26, 28, 30 und 32 sind um eine gemeinsame Schwenkachse 34 mit begrenztem Hub schwenkbeweglich. Die Schwenkachse 34 wird durch ein Achslager 36 gebildet.
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Der erste Kolben 26 weist eine erste Endfläche 38 auf, die in 3 entsprechend der Schnittdarstellung nur hälftig gezeigt ist. Die Endfläche 38 ist insgesamt kreisförmig ausgebildet. Der zweite Kolben 28 weist entsprechend eine zweite Endfläche 40 auf, die der ersten Endfläche 38 des ersten Kolbens 26 zugewandt ist. Der dritte Kolben 30 und der vierte Kolben 32 weisen entsprechende Endflächen 42 und 44 auf. In 11 ist die dritte Endfläche 42 des dritten Kolbens 30 vollständig zu sehen.
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Zwischen den einander zugewandten Endflächen 38 und 40 weist der kolbenmotorische Teil 24 eine erste Arbeitskammer 46 für ein Arbeitsmedium auf, und zwischen den Endflächen 42 und 44 entsprechend eine zweite Arbeitskammer 48. Während die erste Arbeitskammer 46 in dem in 3 gezeigten Zustand gerade ihr maximales Volumen einnimmt, nimmt die zweite Arbeitskammer 48 ihr minimales Volumen ein.
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Die abwechselnde Verkleinerung und Vergrößerung des Volumens der ersten Arbeitskammer 46 wird durch abwechselnd aufeinander zu- und voneinander weggerichtete Schwenkbewegungen des ersten Kolbens 26 und des zweiten Kolbens 28 bewirkt. Entsprechend wird die abwechselnde Verkleinerung und Vergrößerung des Volumens der zweiten Arbeitskammer 48 durch die abwechselnd aufeinander zu- und voneinander weggerichteten Schwenkbewegungen des dritten Kolbens 30 und des vierten Kolbens 32 bewirkt.
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Aufgrund der starren Kopplung des ersten Kolbens 26 mit dem dritten Kolben 30 und des zweiten Kolbens 28 mit dem vierten Kolben 32 vergrößert sich das Volumen der ersten Arbeitskammer 46, wenn sich das Volumen der zweiten Arbeitskammer 48 verkleinert, und umgekehrt.
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In beiden Arbeitskammern 46 und 48 findet unabhängig voneinander jeweils ein voller Arbeitszyklus (Ansaugen, Verdichten, Zünden und Expandieren und Ausstoßen des Arbeitsmediums) statt, wobei das Arbeitsmedium im Falle der Ausgestaltung des kolbenmotorischen Teils 24 als Verbrennungsmotor ein Brennstoff-Luft-Gemisch ist.
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Die Kolben 26, 28, 30 und 32 führen im Betrieb des kolbenmotorischen Teils 24 nicht nur Schwenkbewegungen um die Schwenkachse 34 aus, sondern laufen außerdem in dem Gehäuse 12 um eine gehäusefeste Drehachse 50 um. Die Drehachse 50 ist hier als geometrische Achse zu verstehen. Die Schwenkbewegungen der Kolben 26, 28, 30, 32 werden aus der Umlaufbewegung der Kolben 26, 28, 30, 32 um die Drehachse 50 abgeleitet, indem dem ersten Kolben 26 ein erstes Lauforgan 52, dem zweiten Kolben 28 ein zweites Lauforgan 54, dem dritten Kolben 30 ein drittes Lauforgan 56 und dem vierten Kolben 32 ein viertes Lauforgan 58 zugeordnet sind. Die Lauforgane 52, 54, 56 und 58 sind in Form von Kugeln, hier in Form von Hohlkugeln ausgebildet. In 4, 5 und 17 sind die Lauforgane 52, 54, 56, 58 ebenfalls gezeigt. Die Lauforgane 52, 54, 56, 58 sind an den Endflächen 38, 40, 42, 44 abgewandten rückwärtigen Endabschnitten 60, 62, 64, 66 der Kolben 26, 28, 30, 32 angeordnet.
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Die Lauforgane 52, 54, 56, 58 sind an einem Kurvenglied 68 geführt, das eine entsprechende Steuerkurve mit Bergen und Tälern aufweist, um die Schwenkbewegungen der Kolben 26, 28, 30, 32 aus deren Umlaufbewegung um die Drehachse 50 abzuleiten. Das Kurvenglied 68 ist in diesem Fall bezüglich einer Drehbewegung um die Drehachse 50 lagefest.
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Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, die Kolben 26, 28, 30, 32 bezüglich einer Drehbewegung um die Drehachse 50 in dem Gehäuse 12 lagefest anzuordnen, während dann das Kurvenglied 68 um die Drehachse 50 umläuft, um die Schwenkbewegungen der Kolben 26, 28, 30, 32 zu erzeugen.
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Gemäß 4 und 5 sind die Kolben 26, 28, 30, 32 in einem Kolbenkäfig 70 angeordnet, der ebenfalls Bestandteil des kolbenmotorischen Teils 24 ist. Im Fall, dass die Kolben 26, 28, 30, 32 in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 50 umlaufen, läuft der Kolbenkäfig 70 gemeinsam mit den Kolben 26, 28, 30, 32 um die Drehachse 50 um. Im Fall, dass die Kolben 26, 28, 30, 32 nicht um die Drehachse 50 umlaufen, sondern das Kurvenglied 68, steht auch der Kolbenkäfig 70 bezüglich einer Drehbewegung um die Drehachse 50 fest.
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Der Kolbenkäfig 70 ist aus zwei Kolbenkäfighälften 72 und 74 zusammengesetzt. In 6 sind die beiden Kolbenkäfighälften 72 und 74 voneinander getrennt und beabstandet dargestellt. Die Teilungsebene, entlang der der Kolbenkäfig 70 in die beiden Kolbenkäfighälften 72 und 74 geteilt ist, enthält die Längsachse (Drehachse 50) des Kolbenkäfigs 70.
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Gemäß 4 sind an dem Kolbenkäfig 70 an seinen Längsenden Schmiermittelzuführringe 76 bzw. 78 angeordnet, sowie jeweils ein Kolbenkäfiglagerring 80 bzw. 82 und ein Sensorring 84 für den elektromotorischen Teil 22 (siehe auch 11). Über den Lagerring 80 bzw. 82 ist der Kolbenkäfig 70 im Gehäuse 12 gelagert.
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Die Kolben 26, 28, 30, 32 sind hinsichtlich ihrer Schwenkbewegungen um die Schwenkachse 34 nicht unmittelbar in dem Kolbenkäfig 70 geführt, sondern, wie in 7 gezeigt ist, in Kolbenführungshülsen 86 und 88. Dabei sind der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 in der Kolbenführungshülse 86 geführt, und der Kolben 30 und der vierte Kolben 32 in der Kolbenführungshülse 88. 7 zeigt nur die Kolbenkäfighälfte 74, während die andere Kolbenkäfighälfte 72 in 7 abgenommen ist.
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Die Kolbenführungshülsen 86 und 88 sind in dem Kolbenkäfig 70 relativ zu diesem lagefest gelagert, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
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Gemäß 3 ist an einer Innenwand 90 der Kolbenführungshülse 86 ein sich an die Endfläche 38 anschließender Endabschnitt 92 des ersten Kolbens 26 gasdicht geführt, sowie ein sich an die zweite Endfläche 40 anschließender Endabschnitt 94 des zweiten Kolbens 28. Der erste Kolben 26 und der zweite Kolben 28 weisen jeweils zumindest eine Dichtung 87 bzw. 89 auf, wobei nur die Dichtungen 87 bzw. 89 an der Innenwand 90 der Kolbenführungshülse 86 dichtend anliegen und mit dieser in Berührung stehen, während die Kolben 26 und 28 mit ihren Außenwandungen nicht in Berührung mit der Innenwand 90 der Kolbenführungshülse 86 stehen. Die Kolben 26 und 28 sind am Achslager 36 fliehkraftseitig abgestützt gelagert, wodurch vermieden wird, dass die Außenwände der Kolben 26, 28 mit der Innenwand 90 der Kolbenführungshülse 86 in Berührung kommen. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Dichtungen 87 und 89 als herkömmliche Kolbenringe ausgebildet. Es versteht sich, dass an den Kolben 26, 28 wie gezeigt mehrere (hier drei) Dichtungen 87 bzw. 89 angeordnet sein können. Entsprechende Dichtungen 91 und 93 sind an dem dritten Kolben 30 und 32 zur dichtenden Anlage an der Innenwand 95 der Kolbenführungshülse 88 vorhanden.
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Wie aus 3 hervorgeht, ist die Erstreckung der Kolbenführungshülse 86 in Schwenkbewegungsrichtung der Kolben 26, 28 an den maximalen Hub der Kolben 26 und 28 angepasst. 3 zeigt den maximalen Öffnungshub der Kolben 26 und 28. Die Kolbenführungshülse 86 erstreckt sich dabei soweit, dass die Gasdichtigkeit der Kolbenführung über den gesamten Hub gewährleistet ist. Zusammen mit den Endflächen 38 und 40 definiert die Innenwand 90 insgesamt die Arbeitskammer 46.
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Entsprechendes gilt für die Kolbenführungshülse 88 im Zusammenwirken mit dem dritten Kolben 30 und dem vierten Kolben 32, so dass auf die Beschreibung in Bezug auf die Kolbenführungshülse 86 verwiesen werden kann.
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Wie insbesondere 7 und 8 zu entnehmen ist, weisen die Kolbenführungshülsen 86 und 88 eine bogenförmige Krümmung auf, die an die Schwenkbewegungen der Kolben 26, 28 bzw. 30, 32 angepasst ist. Entsprechend der gezeigten Ausgestaltung der Kolben 26, 28, 30, 32 mit kreisförmigem Querschnitt (senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung) weist die Innenwand 90 der Kolbenführungshülse 86 eine kreisförmige Querschnittsform auf, und ebenso weist eine Innenwand 95 der Kolbenführungshülse 88 einen kreisförmigen Querschnitt auf.
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Die Kolbenführungshülsen 86 und 88 sind in dem Kolbenkäfig 70 durch Formschluss lagefest gehalten.
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Gemäß 6 und 10 weist der Kolbenkäfig 70 einzelne Lager auf, an denen die Kolbenführungshülsen 86, 88 gelagert sind. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Kolbenkäfig 70 für die Kolbenführungshülse 86 genau zwei Lager 96, 96' und 98, 98' auf, die sich in Umfangsrichtung der Kolbenführungshülse 86 in Form schmaler Stege 100, 100', 102, 102' radial in Bezug auf ein Zentrum 104 (dieses fällt mit der Schwenkachse 34 zusammen) erstrecken. Dabei liegt die Kolbenführungshülse 86 nicht vollflächig auf den Stegen 100, 100', 102, 102' auf, sondern die Lager 96, 96', 98, 98' sind durch auf den Stegen 100, 100', 102, 102' abschnittsweise vorhandenen Erhebungen 105 bzw. 106 gebildet, (entsprechende Erhebungen sind auch an den Stegen 100', 102' vorhanden) auf denen die Kolbenführungshülse 86 allein aufliegt. In Bereichen 108 bzw. 110 zwischen den Erhebungen 105 bzw. 106 ist die Kolbenführungshülse 86 hingegen von den Stegen 100, 100', 102, 102' außenseitig beabstandet.
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Des Weiteren erstrecken sich die Erhebungen 105 bzw. 106 nicht über die gesamte Breite der Stege 100, 100', 102, 102', sondern nur über einen Teil der Breite der Stege 100, 100', 102, 102', indem die Erhebungen 105 bzw. 106 Unterbrechungen 112 bzw. 114 aufweisen.
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Für die Kolbenführungshülse 88 weist der Kolbenkäfig 70 entsprechende Lager 116, 116', 118, 118' auf, für deren Beschreibung auf die Beschreibung der Lager 96, 96', 98, 98' verwiesen wird.
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Zwischen den Lagern 96, 96', 98, 98' bzw. 116, 116' und 118, 118' weist der Kolbenkäfig 70 großflächige Durchbrechungen 120 bzw. 122 (10) sowie Durchbrechungen 124, 126 (4) auf, so dass die Kolbenführungshülsen 86, 88 im Bereich dieser Durchbrechungen 120, 122, 124, 126 außenseitig großflächig freiliegen und somit sehr gut gekühlt werden können.
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Wie aus 10 in Verbindung mit 8 hervorgeht, befinden sich die Lager 96, 96', 98, 98' bzw. 116, 116', 118, 118' an oder auf Höhe von Enden 128, 130 der Kolbenführungshülse 86 bzw. an oder auf Höhe von Enden 132, 134 der Kolbenführungshülse 88. Die Durchbrechungen 120, 124 bzw. 122, 126 erstrecken sich hingegen im Wesentlichen über die Arbeitskammern 46 bzw. 48, wie sich auf einem Vergleich der 10, 4 und 3 ergibt.
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Wie aus 7 hervorgeht, ragen die rückwärtigen Endabschnitte 60, 62, 64, 66 der Kolben 26, 28, 30, 32 aus den Kolbenführungshülsen 86 bzw. 88 heraus, so dass die Lauforgane 52, 54, 56, 58 für die Führung des Kurvengliedes 68 frei sind.
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Die Kolbenführungshülsen 86 und 88 sind, wie in 4 gezeigt ist, im zusammengesetzten Zustand des Kolbenkäfigs 70 formschlüssig und sicher in dem Kolbenkäfig 70 gehalten. Die Verbindung der beiden Kolbenkäfighälften 72 und 74 erfolgt über die Aufpressung der Kolbenkäfiglagerring 80, 82 und Schmiermittelzuführringe 76, 78 auf Ringsitzflächen 129, 131 bzw. 133, 135 des Kolbenkäfigs 70 und über die mittige Verschraubung des Achslagers 36 im Kolbenkäfig 70. Außerdem wird der Formschluss an den Kolbenführungshülsen 86 und 88 durch angeformte zylindrische oder kugelkappenförmige Ansätze 137, 139 bewirkt, die im Inneren der Ringsitzflächen 129, 131, 133, 135 passgenau aufgenommen sind. Die zylindrisch scheibenförmigen bzw. kugelkappenförmigen Ansätze 137, 139 bilden zusammen mit den Lagern 96, 96', 98, 98' bzw. 116, 116', 118, 118' jeweils eine Drei-Punkt-Lagerung der jeweiligen Kolbenführungshülse 86 bzw. 88 in dem Kolbenkäfig 70, wodurch eine besonders sichere lagefeste Lagerung der Kolbenführungshülsen 86, 88 in dem Kugelkäfig gewährleistet ist.
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Die Kolbenführungshülsen 86 und 88 bedürfen somit für ihre sichere lagefeste Lagerung im Kolbenkäfig 70 keiner weiteren Befestigungsmittel und sind somit nach Öffnen des Kolbenkäfigs 70 leicht von diesem trennbar.
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Wie am besten in 8 und 9 zu sehen ist, ist die Kolbenführungshülse 86 in ihrer Längsrichtung aus zwei Teilen 136, 138 trennbar zusammengesetzt. In 9 ist das Teil 138 von dem Teil 136 abgenommen. Die gasdichte Verbindung der beiden Teile 136 und 138 aneinander erfolgt im Bereich zweier an den Teilen 136, 138 ausgebildeter Flansche 140, 142 mittels Verschraubung und einer Flachdichtung zwischen den Flanschen 140, 142. Dabei befindet sich die durch die Flansche 140, 142 gebildete Trennfläche zwischen den beiden Teilen 138 und 136 außerhalb der Arbeitskammer 46.
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Ein weiterer an dem Teil 136 vorgesehener Flansch 144 ist ein Blindflansch und dient lediglich dem Massenausgleich in Bezug auf die Umlaufbewegung des Kolbenkäfigs 70 und damit der Kolbenführungshülse 86 um die Drehachse 50.
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Die Kolbenführungshülse 88 ist in gleicher Weise wie die Kolbenführungshülse 86 zweigeteilt, so dass auf die diesbezügliche Beschreibung der Kolbenführungshülse 86 verwiesen werden kann.
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Die Aufteilung der Kolbenführungshülse 86 und der Kolbenführungshülse 88 in jeweils zwei Teile dient der vereinfachten Montage in dem gezeigten Ausführungsbeispiel, bei dem der ersten Kolben 26 und der dritte Kolben 30 sowie der zweite Kolben 28 und der vierte Kolben 32 starr miteinander verbunden sind.
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Hierzu werden die Teile 136 und 138 nach Verbindung der Kolben 26, 28 mit dem Achslager 36 einzeln auf den ersten Kolben 26 bzw. den zweiten Kolben 28 geschoben und erst anschließend an den Flanschen 140, 142 miteinander verschraubt.
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Radial außenseitig in Bezug auf die Schwenkachse 34 weist die Kolbenführungshülse 86 eine Fläche 146 an dem Ansatz 137 auf, die einen Abschnitt einer Kugeloberfläche darstellt. Die Fläche 146 bildet eine Gleitfläche, die an einem gehäusefesten Stirndeckel 148 (11) dichtend gleitet. In der Fläche 146 bzw. dem Ansatz 137 ist des Weiteren eine Öffnung 150 zum Einführen einer Zündkerze 152 (siehe bspw. 1 und 11) vorhanden. Des Weiteren ist in der Fläche 146 eine Gaswechselöffnung 153 vorhanden (siehe 11). Die entsprechende Gaswechselöffnung 154 in dem Ansatz 139 der Kolbenführungshülse 88 ist in 9 zu sehen. Beim Umlaufen des Kolbenkäfigs 70 um die Drehachse 50 kommuniziert die Gaswechselöffnung 153 in der Fläche 146 abwechselnd mit einem Gaseinlass 156 bzw. Gasauslass 158 (abhängig von der Drehrichtung des Kolbenkäfigs 70). Ein entsprechender Gaseinlass und -auslass sind auch der zweiten Arbeitskammer 48 zugeordnet, mit denen die Gaswechselöffnung 154 in dem Ansatz 139 der Kolbenführungshülse 88 abwechselnd kommuniziert.
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Die Kolbenführungshülse 86 und die Kolbenführungshülse 88 sind aus einem Material gefertigt, das von dem Material, aus dem der Kolbenkäfig 70 gefertigt ist, verschieden ist. Je nach Anwendungsfall kann der Kolbenkäfig 70 aus einer hochwertigen Stahl-, Titan- oder Aluminiumguss bestehen, während die Kolbenführungshülsen 86, 88 aus einer Aluminium-Legierung, mit einer Nikasil-Beschichtung oder mit einem Hard-Coat versehen, bestehen können. Ebenfalls denkbar ist die Ausführung der Kolbenführungshülsen aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff oder einem anderen geeigneten Material, wie Sinterwerkstoffen.
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Gemäß 10 und 11 sind in den Kolbenkäfighälften 72 und 74 für die Zuführung des Schmier- und Kühlmittels Schmiermittelführungsröhren 160, 162, 164, 166 angeordnet, die sich parallel zur Längsachse (Drehachse 50), jedoch außerhalb derselben erstrecken. Die Schmiermittelführungsröhren 160, 162 können im Fall der Ausgestaltung der Kolbenkäfighälften 72, 74 als Gussteile beim Gießen mitberücksichtigt werden oder später als Rohrhülsen eingepresst werden. Mit Hilfe dieser Schmiermittelversorgung können sowohl das Achslager 36 als auch die Außenseiten der Kolbenführungshülsen 86, 88 mit Schmier- und Kühlmittel versorgt werden.
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Möglich ist jedoch auch eine geschlossene, im Kreislauf arbeitende Luftkühlung des kolbenmotorischer Teils 24 des Aggregats 10.
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Der oben genannte elektromotorische Teil 22 umgibt den kolbenmotorischen Teil 24 ringförmig, so dass der kolbenmotorische Teil 24 innerhalb des elektromotorischen Teils 22 angeordnet ist.
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Der elektromotorische Teil 22 weist gemäß 2 einen Stator 170 mit Wicklungen 172 und Magnetkernen 174 auf, wobei der Stator 170 in 2 nicht vollständig gezeigt ist, es sich jedoch versteht, dass der Stator 170 in dem Gehäuse 12 vollumfänglich um die Drehachse 50 vorhanden ist.
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Der elektromotorische Teil 22 weist weiterhin einen Rotor 176 auf (siehe auch 3 und 11), der in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 50 gemeinsam mit dem Kolbenkäfig 70 und den Kolben 26, 28, 30, 32 im Betrieb umläuft.
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Der Rotor 176 des elektramotorischen Teils 22 ist dabei drehfest mit dem Kolbenkäfig 70 verbunden, d. h. der Rotor 176 dreht mit dem Kolbenkäfig 70 um die Drehachse 50 gleichlaufend mit. Es kann eine Kupplung vorgesehen sein, die eine wahlweise Entkopplung oder Kopplung des Rotors 176 von bzw. mit dem Kolbenkäfig 70 ermöglicht.
