DE1958512C - Kolbenmaschine mit hydrostatischer Kraftübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit hydrostatischer Kraftübertragung und Hubkolben, von denen jeder einerseits einen Arbeitsraum begrenzt und andererseits über eine Flüssigkeitssäule mit einer Kammer eines hydrostatischen Verdrangers verbunden ist. der aus einem rotierenden, von einer An- oder Abtriebswelle getragenen Verdrängerkolben und einem Verdrängergehäuse besteht. Derartige Kolbenmaschinen können sowohl als Kraftmaschinen (z. B. Diesel-, Otto- oder Heißgasmotoren) wie auch als Arbeitsmaschinen (z. B. Pumpen oder Verdichter) ausgebildet sein.

Maschinen dieser Art sind bekannt und unter anderem in den deutschen Patentschriften I 08¹' 589, 179 778 und I 176 952 sowie in der britischen Patentschrift 345 667 beschrieben. Eine weitere Hubkolbenmaschine mit hydrostatischer Kraftübertragung ist in »Philips Technische Rundschau«, 26. Jahrgang. S. 346 bis 359 beschrieben. Von den genannten Ma-•'Cüebene Bauart -ind die Flüssigkeits\oh,nu-n zischen den umlaufeiv.ien Verdrängerkanimern ;;:·,! den Hubkolben groß. wa> -ich — verbunden mit .:,:· suömunüsiechnisch ungun-tig ausgebildeten FKi--:gkeiisraumcn - naduoilii: bezüglich der Ström;.:--- verlu-te und auch der mit steigendem Flüssigkeit volumen anwachsenden Kompressibilität ausw-.r!·- Vcrdränsieriieha-ase w.\ \. erdrängerkolben mit ,'. -dann hcfc-ünten Weüe sind verhältnismäßig lang ,: j deshalb zur Aulnahnu großer Radialkräfte nicht u eignet Weiterhin bewirken die im sich drehcsv.-i \ erdränii'.rüehau^e .meeordneten kleinen UITn*.■■. querschnitte, übet die die Verdrängerkammern r den Hubkolben verbuntk-n sind, große Strömung--Verluste der durchfließenden Flüssigkeit. Dies ·.·, ■-.[ noch verstärkt dadurch, daß die von Gas bzw. f i;i~- siükeit beaul-ehlagien oberen und unteren FLk ;κ ι der Hubkolben gleich groß sind, wodurch die oszillierenden Flussigkeitsmengen genau so groß sind w.· die gasseitiuen Huhvolu.nen. Nicht zuletzt ist ci-i wesentlicher Nachteil des vorgeschlagenen Verdra:·- aers dann zu sehen, daß die Dichtstellen zwischen Verdrängergehause und Verdrängerkolben nicht .·..> anliegende und selbst nachstellende Dichtleisten ai.--/ubilden sind.

Die in den anderen deutschen Patentschriften 1 0S9 SS9. I |7i)77S und 1 176 9s2 beschriebene!! hydrostatischen Verdränger bestehen jeweils aueiner Vielzahl von bewegten Teilen. Sie bieten d<.-halb zu wenig Vorteile gegenüber dem konventione'-len mechanischen Kurbelwellen-Triebwerk, wodure ι ihre Anwendung in Fahr/eugmotoren verhindert wird Der in den deutschen Patentschriften 1 176 952 und 1 179 778 beschriebene Verdränger wird zum F.inbau in große SchilTs-Dieselmotoieii vorgeschlagen, wo im Interesse eines guten Propeller-Wirkungsgrades eine niedrige Motor-Abtriebsdrehzahl erwünsc! : ist. Hier bietet der vorgeschlagene Verdränger einige Vorteile gegenüber dem konventionellen mechanischen Kurbelwellen-Triebwerk, die aber in Fahrzeugmotoren, wo möglichst hohe Abtriebs-Drehzahlen angestrebt werden, nicht vorhanden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Triebwerk einer Kolbenmaschine mit hydrostatischer Kraftübertragung derart zu gestalten, daß es hinsichtlich Funktion, Bauaufwand und Wirkungsgrad den bisherigen Triebwerken überlegen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der hydrostatische Verdränger eine innenachsige Kreiskolbenmaschine ist.

Der vorgeschlagene hydrostatische Verdränger hat weniger bewegte Teile als die bisher vorgeschlagenen Triebwerke und ist damit gegen Störungen weit weniger anfällig. Gegenüber dem Verdränger nach

der deutschen Patentschrift I 17') 778 ist von Vorteil. Antrieb von zwei DiiTerentiai ben durch einen

dall eine Drehzahlreduzierung ohne Teilung de- Elü-- '<-Kammer-Krciskolbenverdr.. gen

sigkeitssiroms möglich ist. wodurch das Flüs-igkei'.-- Dibei wird die KreistVici¹·· des Ditiereniiai-

v»lumen /wischen Hubkolben und VcrdrangerkoiK-n kolbens mit /wei "benachbarten Kammern

we-entl.eh kiemer .st. Wie Versuche bewiesen haben. 5 _{und djc} Kreisrindläche mn einer den K-.den

Mnd dann wesentlich verringerte Hubkolben-Schvvu·,- Kammern weenV.bcrlieüenden Kammer ver-

cungen und infolge gunsugerer Kanal-Au-h,kumg ge- _{bundc|) Dj};. Cerbleihende Kammer kann /um

,innere Strumungsverluste vorhanden. Das Dicht- Antrieb .on H,ll-a-reeaten d.cncn oder lee,

-v-tem des ertindunnssjemauen Trienwerks kann sehr ,, ,,,,· ,, -- -

■ , ., , ,- -, . ,. j mitlauten. wirkungsvoll und doch einfach ausgebildet '.'.erden. io

weil die Radial-Üichtleisten relativ zum feststehen- Ausführungsbcispielc des Erlindungsgegen-'.andc*

den Gehäuse keine Bewegung; ausführen. Gas- und -ind in den Zeichnungen dargestellt. L- zeigt

Ma-senkräfte mehrerer Hubkolben wirken auf einen Fig. 1 innen Läng-schnitt durch eine Seehs/.vlin-

un/.iiien Verdrängerkolben, der --ie zu einer resullie- dcr-Hubkolbenmaschine. im viirliegeiulen Fall emen

reiiilen Kraft zusammenfaßt und diese zur An- bzw. 15 Ga-verdichter. dessen hydrostatisches Triebwerk als

Abtiiebswelle weiterleitet. Ein wesentlicher Vorteil Kreiskolbenverdränger ausgebildet ist.

der Erfindung gegenüber den Ix- ki> η η te η Bauarten F 1 e.. 2 einen Querschnitt dutch den Kreiskoüvn-

be-teht noch darin, daß auch Viertakt-Hubkolbenma- verdränger längs der Linie H-II in F 1 g. 1.

schinen mit vertretbarem Bauaufwand realisiert wer- E ig. 3 einen Längsschnitt Jurch einen schematise!!

den können. Trotz der beidseitig erfo .ierlicnen hy- 20 dargestellten Sechs/vlinder-ScI.itTsdieselmotor mit

dro-tatischen Abstützung der Hubkolben ist das hier- Kreiskolbenverdränger. hei dem die \btriebsweilcn-

zu vorgeschlagene Verdränger-Triebwerk kleiner und drehzahl gegenüber der Hubkolhenfreq.en/ im Vcr-

hat wesentlich weniger bewegte Teile als das ^ntspre- hältnis I 5 untersetzt ist.

ehende mechanische Kurhelwellentriebwerk. Auch als F i g. 4 einen Querschnitt durch den Krei-kolbcn

Triebwerk einer nach dem Stirling-Prinzip arbeiten- 25 verdränger einer DreizyHnder-Hubkolbenmaschme.

den Maschine ist der vorgeschlagene hydrostatische bei dem je zwei benachbarte Kammern nut je einem

Verdränger geeignet. Lr ist kleiner und hat wesent- Hubkolben verbunden sind.

lieh weniger bewegte Teile als das /ur Zeit verwen- Fig. 5 einen Längsschnitt dutch eine Huhkoihen-

dete Rhomhen-Triehwerk. maschine, deren DifTerentialkoIben mit zwei Kreis-

Nach der Erfindung sind hydrostatische Verdränger 30 kolbenverdrängcrn unterschiedlicher Große verinm-

mit feststehendem Gehäuse in der Bauart innenachsi- den sind.

ger Kreiskolbenmaschinen zu verwenden (Definition F i g. Λ eine Zweizvlinder-Hubkoibenmaschinc. nach F. Wankel: »Einteilung der Rotationskolben- deren DifTerentialkoIben beidseitig mit einem ein/igen maschinen«, z.B. Bauformenblatt 13 und I ft). Bei Kreiskolbentriebwerk verbunden sind, ihnen steht jeweils eine Wand der volumenveränder- 35 F i g. 7 eine Hubkolbenmaschine, bei der mc!i je liehen Kammern iclativ zum Gehäuse still, wodurch zwei mit einer Phasenlage von ¹X) gegeneinander verihre Verbindung mit den oszillierenden Hubkolben in schobcne Hubkolben in je einem Zylinder bewegen, einfacher Weise realisiert werden kann. Bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten Gasverdich-Bei der vorgeschlagenen Verdränger-Bauart kann ter ist mit 1 der Zylinder bezeichnet, der oben durch entweder der Kreiskolben selbst oder eine darin ge- 40 aen Zylinderdeckel 2 abgeschlossen ist. in dem die lagerte Exzenterwelle mit der An- bzw. Abtriebswelle selbsttätigen Saugventile 3 und Druck ν entile 4 angeverbunden sein, wodurch unterschiedliche I berset- ordnet sind. In dem Zylinder 1 gleitet der Htibkolzungsverhältnisse zwischen Hubkolbenfrequenz und ben 5. der über eine Kolbenstange if> mit dem Hub-Wellendrehzahl erreicht werden. Weiterhin können kolben 7 verbunden ist. Der Zviinderraum 8 ist mit zwei oder mehr benachbarte Kammern miteinander 45 einer Flüssigkeit, vorzugsweise öl. gefüllt, die die verbunden werden und gemeinsam auf einen Hub- Verbindung zwischen Kreiskolben 9 und Hubkolben 7 kolben wirken, was Vorteile bezüglich der Dimensio- darstellt. Mit der Antriebswelle 10 steht der Kreisnierunj des Kreiskolbenverdrängers hat. Somit sind kolben 9 über den Exzenter 11 in EingrilT. wahrend mehrere Grundanordnungen möglich. Bezüglich der er sich gegen das Maschinengehäuse 12 über die VerAnzahl der je Kreiskolbentriebwerk vorhandener 5c zahnung 13 abstützt. Durch diese Art der Anordnung Kammern und der Anzahl der jeweils zusammen- wird erreicht, daß nur die Drehung der Kreiskolbengefaßten Kammern können diese Grundanorunungen Mittenachsc um die Mittenachse des Maschinenge noch variiert werden. häuses zum Abtrieb geleitet wird.

Weiterhin sind noch folgende Bauarten bzw. Korn- Bei der Bewegung des Kreiskolbens 9 durch den

binationen möglich: 55 Exzenter H, bei der er sich über die Verzahnung 13

_ . . , am Gehäuse abstützt, werden die Kammern 14 größer

Zweiseitig beaufschlagte DifTerentialkoIben So _{und kIei wobei die Dicht}|_{eislen i5 keitK} b_CWi>

wohl die Vollkreis- als auch die Kreisringnächen ausführen

der Hubkolben sind mit je einem Kreiskolben- - f_{ 3 _{zd dncn umkeh}reespültcn Vcrbrennungsverdranger, die dann jedoch verschieden große _{6o mo},_{or Mh 2}, _is, _{dcr Zyljnder} bezeichnet, der in beHubvolumen haben, verbunden. kannter We.r.c Schlitze 22 zum Eintritt der Spüllufi Antrieb von zwei in einem Zylinder sich bewe- _{upd SchHlzc 23 zum Aus(riu dcr Ab hat} ,„ _den genden Hubkolben, deren Phasenlage um z. B. Zylindern 21 gleiten die Kolben 24. die über Kolben-9LV' gegeneinander versetzt ist: stangen 25, Hubkolben 26 und Ölsäulen 27 mit dem Hierzu kann z. B. ein 4-Kammer-Kreiskol- 65 Krtiskolben 28 verbunden sind. Diesen verbindet ein benverdränger verwendet werden, von dem drehfestes aber radial bewegliches Teil, beispielsweise je zwei benachbarte Kammern auf die beiden eine Kardanwelle 29, mit der Abtriebswelle 30. Die Hubkolben je eines Zylinders wirken. Führung des Kreiskolbens 28 in dem Maschinenge-

liäuse 31 erfolgt einmal über den /wischen Kreiskolbcn 28 und Maschinengehäuse 31 angeordneten Exzenter 32 und /um anderen über die Verzahnung 33. Bei der beschriebenen Anordnung wird erreicht, daß nur die Drehung des Kreiskolbens 28 um seine eigene Miltcnachse zur Abtriebswelle 30 geleitet wird. Für Hubkolbenfrei|uenz /. Anzahl der Kammern : und Abtriebsdreh/ahl η gilt die Beziehung:

Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch ei.ic Hubkolbenmaschine, deren Dificrentialkolben 54 mit zwei Kreiskolhcnverdrängern unterschiedlicher Größe verbunden sind. In den Zylindern 51 gleiten die llubkolhen 52. die über Kolbenstangen 53 mit den Dilferentialkolben 54 verbunden sind. Die größeren wirksamen Flächen 55 der DilTerentialkolbcn 54 sind über die Flüssigkeitssäule!! 56 mit dem Kreiskolben 57 verbunden, während die kleineren wirksamen Flächen 58

ίο über die Flüssigkeitssäulen 59 mit dem Krciskolben 60 verbunden sind. Die Krciskolhcn 57 und 60 und damit auch die zugeordneten F.x/cnter 61 und 62 sind in ihrer Phasenlage um 180 gegeneinander verdreht. Weiterhin entsprechen ihre Hubvolumen denjenigen

Die Anordnung, nach Fig. 3 hat den Vorteil. daß zwischen Hubkolhenfrci|uenz und Abtricbswellendrchzahl eine je nach Anzahl der Kammern »r.« wählbare Untersetzung verwirklicht werden kann. Bei geringer Drehzahl der Antriebswelle ist eine [z I )-fach 15 Flüssigkeitsmengen, die von den Flächen 55 und 58 gru'liere Hubkolbenfrequen/. vorhanden, was. wie in der DilTercntialkolben 54 verdrängt werden, so daß der deutschen Patentschrift I I7¹)77S besehrieben, bei dem Antrieb eines SchilTspropellers vorteilhaft ist.

Die in F i g. 3 dargestellte Anordnung kann noch eine formschlüssige Verbindung zwischen den Hubkolben 52 und der Abtriebswelle 63 hergestellt ist
Hin hvdrostatisches Triebwerk der beschriebenen

derart erweitert werden, daß an Stelle der dargestell- 20 Art kann vorteilhaft in einem Viertaktinotor verv.cn-

ten. umkehrgespülten Z\\eitakt-Zylinder Gegenkollx.-11-Zylinder verwendet werden. Dann wird zweck mäßig ein weiteies Kreiskolbentriebwerk verwendet, welche* auf der gegenüberliegenden Seite des Motors

iigeordnet ist. Beide Exzenter sind dabei miteinander 2s Exzenter 62 abgestützt.

det werden. Die beim Spülhub in Richtung des /Minderkopfes wirkenden freien Massenkräfte der Hubkolben 52 werden dann über die Flächen 58. die I >ussigkeitssaulen 59 und den Kreiskolbcn 60 uuf

verbunden.

F ig. 4 zeigt einen Querschnitt durch den Kreiskolbenverdränger einer Drei/v linder-Hubkoibcnma- ^chine. bei dem je zwei benachbarte Kammern mit je einem Hubkolben verbunden sind Dor Kreiskolben 41 hat fünf Frhebungen und ist über eine nicht dargestellte Verzahnung vom i'bersclzungsverhältnis (·>: 5 mit dem Gehäuse 42 verbunden. Im Gegensatz zum I- i g. vi zeigt am Beispiel eines Viertaktmotor^
zwei Viertakt-Hubkolben 71 formschlüssig mit er;.m einzigen Kreiskolben-Verdränger zusammenarbeiten können. Auch hier sind die Hubkolben 71 über KoI-benstanivn 72 nut Arn DificrentialkoUvjn 73 νi.-tl-.iiiiden. Während die größeren wirksamen Flächen 74 mit den doppelten Kammern 77 korrespondieren. <r.d die kleineren wirksamen Flächen 75 mit den einfachen Kammern 78 verbunden. Eine formschlüssige

Krciskolbenverdränger nach ΙΊ g. 2 besitzt jedoch das Gehäuse 42 nicht sechs, sondern nur drei Kam- 35 Verbindung mit dem Kreiskolbcn 79 ist dann vorh.mmern 44, weshal!» auch nur diei Diüitleisten 45 er- den. wenn das Hubvolumenverhältnis der Kammein forderlich sind. Die dargestellte Anordnung hat 77 und 78 mit dem Flächenverhältnis des DitTercnual-— gegenüber dem zunächst naheliegenden 3 · 2-über- kolbcns 73 übereinstimmt.

Die Kreisprozesse von Heißgasmotoren und Kiil'emaschinen nach dem Stirling-Verfahren benötigen einen Pro/cßraum, dessen Volumen von zwei in der

setzten Krciskolbenverdränger mehrere Vorteile:

Die Stirnfläche des Kreiskolhenverdrängcrs bei gleicher »Verdrängerflächc« der Kammern ist kleiner.

Die Verzahnung hat günstigere Abmessungen und EingrifTs-Verhältnissc.

Der Durchmesser »</« der Exzenterwelle 43 kann größer gewählt werden.

Phasenlage gegeneinander verschobenen Hubkolben variiert und verschoben wird. Ein Triebwerk nach F i g. 7 erfüllt diese Bedingungen. Eine mit vier Kanimcrn 81 korrespondierender Kreiskolben 82 verschiebt die Hubkolben 83, zwischen denen der Prozeßraum 84 liegt, mit einem Phasenwinkel von W .

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   I. Kolbenmaschine mi; Indrosiatiseher Kraltübertragunt: und Hubkolben, von denen jeder einerseits einen Arbeitsraum begrenzt und S andererseits über eine Flüssigkeitssäule mit : ier Kammer eines hydrostatischen Verdrängers verbunden ist, der aus einem rotierenden, von einer An- oder Abtriehswelle getragenen Verdrängerkolben und einem Verdrängergehäuse besteht. dadurch gekennzeichnet, daß der hv drostatische Verdränger eine innenachsige Kreiskolbenmaschine lsi.
2. 2. Kolbenmaschine nach Anspruch I. dadurch eekennzeichnet. daß der Kreiskolben (28) dfohfest aber radial beweglich mit einer /weiten Abirieb·«- weile (301 \erblinden ist.
3. 3. Kolbenmaschine na.'h den Ansprüchen ! oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr benaii harte Kammern (44) des Indrost.itischen Verdrängers gemeinsam von einer Flüssigkeitssäule beaufschlagt sind.
4. 4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche I bis 1. dadurch gekennzeichnet, daLi jeder Hubkolben (52) an seiner dem Arbeitsraum abgekehrten Seite als DilTcrer.tialkolben (54) ausgebildet ist. dessen größe^re wirksame Fliiclie (55) auf einen größeren und dessen kleinere wirksame Flache (58) auf einen kleineren hydrostatischen Verdränger arbeiten, der gegenüber dem größeren Verdränger urn IS(I phasenverschoben arbeitet.
5. 5. Kolbenmaschine nach .nspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die kleinere wirksame Fläche (75) jedes DüTerentialkolber,, (73) mit einer Kammer (78) eines hydrostatischen Verdrängers verbunden ist und daß die größere wirksame Fläche (74) jedes DirTerentiaTkolbens (73) mit einer größeren Kammer (77) desselben hydrostatischen Verdrängers verbunden ist. die der zugeordneten kleineren Kammer (78) gegenüber liegt
6. 6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder ?. dadurch gekennzeichnet, daß zwei dem Prozeßraum (84) einer nach dem Stirling-Prinzip arbeitenden Maschine zugeordnete Hubkolben (83) mit je einer Kammer (81) eines einzigen Verdrängers verbunden sind.

   , , ι; · in der britischen Patentschrift

   ,Cl₁IHe., ony^dK " f^ _{AnmcIdungsgcgtfnsland}

   .a.-. Ww Fig- I-b ■ _{Kldl cj}nige Nachteile, die am nacnsten Sκ I . _verhindcrl haben. In

   '!^Τ^πΐ^ηhvÄtischcn Verdränger K-S„^K;äÄMinemcilc. wobei sich der Ver-¹ rl h'n relativ zum Vepjrangergehausc und £T« ;ⁿ ,im Maschinengehäuse beweg,. D;, ,Γ, ,. erforderlich, daß n.eht pur der Wr-