DE4002782A1

DE4002782A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE4002782A1
Application number: DE19904002782
Authority: DE
Inventors: Mitja Cebulj
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-01-31
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1990-08-02
Also published as: SI8910225A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Rotationskolben- oder Schwenkkolben maschinen als Kraft- und Arbeitsmaschinen für Flüssigkeiten und/oder Gase bzw. Dämpfe.

Derartige Maschinen werden nach Internationaler Patentklassifikation in Unterklasse F01C eingereiht.

Technisches Problem

Ausgehend von einer Kolbenmaschine, die im Arbeitszylinder und relativ zu ihm einen translatorisch sich bewegenden Hubkolben aufweist, der mittels einer Schubstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei für die Zufuhr bzw. den Ablaß von Flüssigkeit bzw. Gas oder Dampf ein drehbares Einlaß- bzw. Auslaßventil vorgesehen ist, liegt der Erfindung das Problem zugrunde, wie diese Konstruktion weiterentwickelt werden soll, um den Einbau von speziellen Getrieben für den Antrieb von Ventilen zu vermeiden und gleichzeitig die Radialkraft des Hubkolbens auf den Arbeitszylinder zu ver mindern.

Stand der Technik

Eine Kolbenmaschine, die im Arbeitszylinder und relativ zu ihm einen translatorisch sich bewegenden Hubkolben aufweist, der mittels einer Schubstange mit einer Kurbel welle verbunden ist, wobei für die Zufuhr bzw. den Ablaß von Flüssigkeit bzw. Gas oder Dampf ein drehbares Einlaß- bzw. Auslaßventil vorgesehen ist, ist bereits bekannt.

Ein Nachteil derartiger Kolbenmaschine liegt darin, daß die Ventile entweder mittels Ketten- bzw. Zahnradgetriebe oder Nockenwellen betätigt sind, was den Einbau von zusätzlichen Übertragungsgetrieben bedingt, wobei die Gesamtmasse der Maschine zunimmt.

Ein weiterer Nachteil liegt auch darin, daß der Arbeitszylinder in seiner Radialrichtung wegen des translatorisch sich bewegenden Hubkolbens innerhalb eines Arbeitsgangs stark beansprucht wird, was zur Abnutzung sowohl des Zylinders als auch der Dich tungsringe führt, weswegen auch die Querschwingungen der Maschine stärker sind.

Beschreibung der Lösung

Das gestellte Ziel wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Zylinderkopf ein senkrecht zur Längsachse des Zylinders angeordnetes Durchloch aufweist, worin eine Gleitbuchse fest gelagert ist, die durch ihre an beiden Enden der aus dem Kopf ragen den Abschnitte im Gehäuse drehbar gelagert ist, wobei in der Gleitbuchse ein Steuer rohr gleitbar-drehbar angeordnet ist. Der Zylinder ist dabei an seinem dem Kopf ab gewandten Ende mit diametral angeordneten, länglichen Gleitansätzen ausgebildet, die dem Kopf der Schubstange als eine Stütze dienen, wobei die Gleitansätze und der Kopf der Schubstange jeweils eine Spielpassung bilden. Zu diesem Zweck sind der Kolben und die Schubstange einteilig ausgebildet.

Das Steuerrohr ist durch eine Trennwand in einen Einlaß- und Auslaßabschnitt unter teilt und an seinem Umfang mit einer Reihe von Langlöchern ausgebildet. Der Innen raum des Zylinders ist mit dem Loch im Kopf mittels eines Paares von unter einem Winkel zueinander stehenden und parallelen Langlöchern verbunden, die mit einem Paar von Löchern, die auf der Buchse angeordnet sind, übereinstimmen.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine ist im Durchloch des Kopfes unmittelbar ein Steuerrohr, das am Gehäuse fest eingebaut ist, gleitbar und drehbar angeordnet, wobei das Steuerrohr auf jeder Seite der Trenn wand jeweils mit einem länglichen Einlaß- und Auslaßloch ausgebildet und der Innen raum des Zylinders mit dem Loch des Kopfes durch das Langloch verbunden ist.

Bei einem weiteren Beispiel der erfindungsgemäßen Maschine ist im Loch des Kopfes eine Steuerbuchse gleitbar und schwenkbar angeordnet, die an ihrem Umfang mit einer Reihe von gleichmäßig abliegenden Langlöchern versehen ist, in der Buchse ist mit einer Gleitspielpassung ein Steuerrohr angeordnet, das am Gehäuse fest eingebaut ist. Das Steuerrohr ist im Bereich seines ersten Endes mit einem Schubzahn ausgerüstet, der mit einer Reihe von Zähnen der Steuerbuchse im Eingriff steht, wobei die genannte Zähnereihe im Bereich des ersten Endes der Steuerbuchse ausgebildet ist. Die Zahnteilung gleicht dabei der jeweiligen größten Amplitude des Zylinders.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine im Schnitt längs der Kurbelwelle,

Fig. 2 die Kolbenmaschine aus Fig. 1 im Schnitt durch die Linie II-II,

Fig. 3 die erfindungsgemäße Kolbenmaschine in Modifikation I, im Schnitt längs des Kolbens und quer zur Kurbelwelle,

Fig. 4a die erfindungsgemäße Kolbenmaschine in Modifikation II, im Schnitt wie in Fig. 3, beim Ansaugen,

Fig. 4b die Maschine wie in Fig. 4a, bei Kompression,

Fig. 4c die Maschine wie in Fig. 4a, bei Expansion,

Fig. 4d die Maschine wie in Fig. 4a, beim Auspuff,

Fig. 5a eine Einzelheit des Steuerrohres, der Steuerbuchse und des wegen Einfachkeit als eine Buchse dargestellten Kopfes des Zylinders, in teilweise axonometri schem Schnitt und in der Lage des Ansaugens,

Fig. 5b eine Einzelheit wie in Fig. 5a, in der Lage der Kompression,

Fig. 5c eine Einzelheit wie in Fig. 5a, in der Lage der Kompression, und

Fig. 5d eine Einzelheit wie in Fig. 5a, in der Lage des Auspuffes.

Eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine weist einen Arbeitszylinder 1 auf, der an seinem ersten Ende einen monolithisch ausgebildeten Kopf 2 hat und an gegenüberliegendem Ende frei ist, wobei der Arbeitszylinder 1 an seinem freien Ende mit diametral angeordneten, länglichen Gleitansätzen 3 ausgebildet ist. Der Kopf 2 ist im Bereich seines mittleren Bereiches mit einem senkrecht zur Längsachse des Zylinders 1 angeordneten Durchloch 4 ausgestattet, in welches eine ringförmige Gleit buchse 5 eingebettet ist, wobei letztere mit ihren an beiden Enden aus dem Kopf 2 hinausragenden Teilen in Lagern 6 des Gehäuses 7 drehbar gelagert ist. Der Innenraum des Arbeitszylinders 1 ist mit dem Durchloch 4 des Kopfes 2 mittels zueinander unter einem Winkel α, gegebenenfalls 30°, stehender, zwischeneinander paralleler Langlöcher 8 verbunden. In der Gleitbuchse 5 ist ein Steuerrohr 9 gleitbar und drehbar und hinsichtlich des Gehäuses 7, das in seiner Querrichtung mittels einer schräg ein gesetzten Trennwand 10 in einen Einlaß- und Auslaßabschnitt 11, 12 unterteilt ist und mit einer Reihe von länglichen, mit Längsachse des Steuerrohres 9 parallelen Löchern 13 ausgebildet ist, fest angeordnet. Die fest eingebaute Gleitbuchse 5 ist ebenfalls mit einem Paar von Löchern 14 ausgebildet, die mit einem Paar von Löchern 8 des Ar beitszylinders 1 übereinstimmen.

Im Arbeitszylinder 1 ist weiterhin ein Arbeitshubkolben 15 gleitbar-verschiebbar angeordnet, der mit Kolbenringen 16 versehen und mit einer in Lagern 18 gebetteten Kurbelwelle 17 über eine Schubstange 19 verbunden ist, die an die Kurbelwelle 17 mit tels eines Schubstangenkopfes 20 drehbar gelagert und fest mit dem Hubkolben 15 ver bunden ist, gegebenenfalls sind der Hubkolben 15 und die Schubstange 19 als eine monolithische Baueinheit ausgebildet. Der Schubstangenkopf 20 ist dabei derart aus gebildet, daß seine äußersten gegenüberliegenden Flächen 21 eine Gleitspielpassung mit den Gleitansätzen 3 des Arbeitszylinders 1 bilden.

Falls die erfindungsgemäße Kolbenmaschine als eine Arbeitsmaschine arbeitet, ist zur Kurbelwelle 17 in an sich bekannter Weise eine nicht dargestellte Kraftmaschine gekoppelt. Bei einer Bewegung des Hubkolbens 15 vom oberen Totpunkt (OT) aus Fig. 1, 2 wird der Arbeitszylinder 1 um die Längsachse des Steuerrohres 9 in Richtung der Pfeile A gedreht, wobei die Gleitbuchse 5 mit dem Arbeitszylinder 1 derart zusammen gedreht wird, daß eines von Löchern 13 im Einlaßabschnitt 11 immer mehr geöffnet wird, wodurch eine Verbindung zwischen dem Langloch 8 im Kopf 2 des Ar beitszylinders 1 und dem Loch 14 der Gleitbuchse 5 gebildet und ein Weg für die Mediumzufuhr durch den Einlaßabschnitt 11 nach dem Innenraum des Arbeitszylinders 1 geöffnet wird. Bei einer Bewegung des Hubkolbens 15 erreicht der Arbeitszylinder 1 eine von extremen Lagen (in Fig. 2 mit gestrichelter Linie angedeutet), die durch den größten Drehwinkel gegeben ist, der eine Hälfte des Winkels α, gegebenenfalls 15°, beträgt. Bei einer weiteren Bewegung des Hubkolbens 15 gegen den unteren Totpunkt (UT) wird der Arbeitszylinder 1 immer mehr gegen die Nullage (in Fig. 2 mit voller Linie angedeutet) verschoben und gleichzeitig dasjenige Loch 13, das für die Medium zufuhr gedient hat, immer mehr schließt, bis es in UT-Lage des Hubkolbens völlig geschlossen ist.

Der Hubkolben 15 beginnt sich dann in entgegengesetzte Richtung gegen den Kopf 2 des Arbeitszylinders 1 zu bewegen, und der Arbeitszylinder schlägt immer mehr in Gegenrichtung des Pfeiles A aus, wobei das andere von Löchern 13 im Auslaßabschnitt 12 immer mehr geöffnet wird, wodurch ermöglicht wird, daß der Hubkolben 15 des Mediums durch das Langloch 8 des Kopfes 2, Loch 14 der Gleitbuchse 5 und Loch 13 des Auslaßabschnitts 12 des Steuerrohres 9 ins Freie drückt. Auch hier gleicht der größte Ausschlag des Arbeitszylinders 1 von seiner senkrechten Achse in Nullage der Hälfte des Winkels α, gegebenenfalls 15°. Nach dem Erreichen des größten Ausschlages des Arbeitszylinders 1 kommen dieser und der Hubkolben 15 dem OT (Fig. 2) der Nullage nahe, wobei das Loch 13 im Auslaßabschnitt 12 immer mehr geschlossen wird, bis es im OT des Hubkolbens 15 völlig geschlossen ist, wobei der Verlauf bei weiterem Arbeitsverfahren der Einrichtung auf gleiche Weise wiederholt wird.

Die erfindungsgemäße in Fig. 3 dargestellte Kolbenmaschine in Modifikation I un terscheidet sich von vorher beschriebenem Ausführungsbeispiel darin, daß das Innere des Arbeitszylinders 1 mit dem Durchloch des Kopfes 2 nur durch ein auf der Längsachse des Arbeitszylinders 1 liegendes Langloch 22 verbunden und das Steuer rohr 9 mittels einer Gleitspielpassung unmittelbar im Durchloch 4 des Kopfes 2 an geordnet ist. Wie bei vorher beschriebenem Ausführungsbeispiel ist auch hier das Steuerrohr 9 mittels der Trennwand 10 in einem Einlaß- und einem Auslaßabschnitt getrennt, wobei auf jeder Seite der Trennwand 10, in Längsrichtung des Steuerrohres 9 gesehen, jeweils ein längliches Einlaß- und Auslaßloch 23, 24, die mit dem Langloch 22 übereinstimmen, ausgebildet ist. Das Steuerrohr 9 ist im Durchloch 4 des Kopfes 2 derart angeordnet, daß es mit seiner Trennwand 10 das Langloch 22 schließt, wenn sich der Arbeitszylinder 1 in der Nullage (in Fig. 3 mit voller Linie angedeutet) befindet.

Die Tätigkeit der Kolbenmaschine in Modifikation I ist im folgenden für den Fall, daß die Kolbenmaschine als ein Kompressor arbeitet, beschrieben.

Zur Kurbelwelle 17 ist eine nicht dargestellte Kraftmaschine gekoppelt. Bei Bewegung des Hubkolbens 15 vom OT aus (in Fig. 3 mit gestrichelter Linie angedeutet) wird der Arbeitszylinder 1 um die Längsachse des stillstehenden Steuerrohres 9 gedreht, gegebenenfalls linkshin seiner Längsachse, wobei das Langloch 22 im Kopf 2 und das Einlaßloch 23 im Steuerrohr übereinzustimmen beginnen, wodurch das Ansaugen des Mediums ermöglicht wird. Die Löcher 22, 23 stimmen in Extrem-, gegebenenfalls in linker Lage, völlig überein, danach wird bei weiterer Bewegung des Hubkolbens 15 der Arbeitszylinder 1 um das Steuerrohr 9 in entgegengesetzter Richtung bewegt, die Löcher 22, 23 überdecken sich immer weniger, bis sie im UT des Hubkolbens gegeneinander völlig versetzt sind, wobei das Langloch 22 des Kopfes 2 mittels der Trennwand 10 geschlossen ist. Weiteres Umdrehen der Kurbelwelle 17 hat die Be wegung des Hubkolbens 15 vom UT aus zur Folge, wobei der Arbeitszylinder 1 um das Steuerrohr 9, gegebenenfalls zur rechten Seite, umgedreht wird, gleichzeitig beginnt das Überdecken des Langloches 22 des Kopfes 2 und des Auslaßloches 24 im Steuerrohr 9, wodurch das Ausdrücken des Mediums aus dem Arbeitszylinder 1 ermöglicht wird. Nach der Extremauslenkung des Arbeitszylinders 1 nach rechts, wenn die Löcher 22, 24 maximal überdeckt werden, wird beim weiteren Bewegen des Hubkolbens 15 gegen OT die Übereinstimmung geringer, bis das Langloch 22 im OT mittels der Trennwand 10 völlig geschlossen ist. Der Verlauf wird danach wiederholt, und zwar mit Ansaugen.

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine in Modifikation II weist wie die vorherige Aus bildung einen Arbeitszylinder 1 mit einem Kopf 2 auf, der mit einem Durchloch 4 aus gebildet ist. In letzteres ist eine Steuerbuchse 25 gleit- und drehbar angeordnet, die an ihrem Umfang mit einer Reihe von gleichmäßig abliegenden Langlöchern 26, die um die Teilung t , gegebenenfalls 60°, geteilt sind, ausgebildet ist. In der Steuerbuchse 25 ist mit Gleitspielpassung, wie bei vorherigem Ausführungsbeispiel beschrieben, ein Steuerrohr 9 angeordnet, das an dem nicht dargestellten Gehäuse fest eingebaut ist. Das Steuerrohr 9 weist im Bereich seines ersten Endes und an seinem Außenumfang einen Schubzahn auf (Fig. 5), der ratschenartig in eine Reihe von Zähnen 28 eingreift, die im Bereich des ersten Endes und am Innenumfang der Steuerbuchse 25 ausgebildet sind, wobei die Teilung der Zähne 28 der zweimaligen größten Amplitude des Arbeits zylinders 1, gegebenenfalls 30°, gleicht.

Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine in Modifikation II funktioniert als eine Vier taktbrennkraftmaschine folgenderweise:

Nimmt man an, daß die Anfangslage des Hubkolbens 15 im OT liegt, dann fängt bei dessen Bewegen gegen das UT das Saugen an. Der Arbeitszylinder 1 beginnt sich dabei um die Körperachse des Steuerrohres 9 zu drehen, wobei er gleichzeitig auch die Steuerbuchse 25 umdreht, die mit einer Reihe von Zähnen 28 den Schubzahn 27 des Steuerrohres 9 überspringt, wobei eines von Löchern 26 der Steuerbuchse 25 und das Langloch 22 des Kopfes 2 übereinstimmen. Dadurch wird ein Weg für die Zufuhr des Brennmediums geöffnet (Fig. 4a, 5a), und zwar durch den Einlaßabschnitt 11 und das Einlaßloch 23 des Steuerrohres 9, durch Löcher 26 und 22 ins Innere des Ar beitszylinders 1, in Richtung des Pfeiles B. Nach Erreichen des größten Ausschlages des Arbeitszylinders 1 beginnt sich bei weiterem Bewegen des Hubkolbens 15 gegen UT der Arbeitszylinder 1 in seiner Anfangslage zurückzudrehen, wobei er auch die Steuer buchse 25 mitnimmt, die das Langloch 22 immer mehr schließt, bis das letztere völlig geschlossen ist, wenn der Hubkolben 15 das UT erreicht. Der Hubkolben 15 beginnt sich jetzt gegen OT (Kompression, Fig. 4b, 5b) zu bewegen, wobei der Arbeitszylinder 1 um den genannten Drehpunkt gedreht wird, die Steuerbuchse 25 bleibt dabei indessen stehen. Nach Erreichen des OT fängt der Hubkolben 15 an, sich wieder gegen UT zu bewegen (Expansion, Fig. 4c, 5c), wobei der Arbeitszylinder 1 in gleiche Richtung wie beim Ansaugen gedreht wird. Der Arbeitszylinder 1 nimmt beim Bewegen auch die Steuerbuchse 25 mit, und zwar um einen Zahn 28 in der Reihe, was gegebenenfalls 30° beträgt, wobei das Langloch 22 noch immer durch die Steuerbuchse 25 geschlossen wird. Bei letztem Takt der Kolbenmaschine (Auspuff, Fig. 4d, 5d) wird der Hubkolben 15 gegen OT bewegt, der Arbeitszylinder 1 wird dabei gedreht, gegebenenfalls zur rech ten Seite, wobei die Löcher 22 und 26 immer mehr übereinstimmen, wodurch der Auspuff in Richtung des Pfeiles C durch die Löcher 22, 26 und 24 in den Auslaßabschnitt 12 des Steuerrohres 9 ermöglicht wird. Die Kolbenmaschine ist derart auf den nächsten Takt, d. h. für das Saugen, vorbereitet.

Claims

1. Kolbenmaschine, die im Arbeitszylinder und relativ zu ihm einen translatorisch sich bewegenden Hubkolben aufweist, der mittels einer Schubstange mit einer Kurbelwelle verbunden ist, wobei für die Zufuhr bzw. den Ablaß von Flüssigkeit bzw. Gas oder Dampf ein drehbares Einlaß- bzw. Auslaßventil vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kopf (2) eines Arbeitszylinders (1) ein senkrecht zur Längsachse des Arbeitszylinders (1) angeordnetes Durchloch (4) aufweist, in welches eine Gleitbuchse (5) fest eingebettet ist, die mit ihren an beiden Enden aus dem Kopf (2) ragenden Abschnitten im Gehäuse (7) drehbar gelagert ist, wobei in der Gleitbuchse (5) ein Steuerrohr (9) gleit- und drehbar angeordnet ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ar beitszylinder (1) an seinem dem Kopf (2) abgewandten Ende mit diametral an geordneten länglichen Gleitansätzen (3) ausgebildet ist.

3. Kolbenmaschine nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerrohr (9) mittels einer Trennwand (10) in einen Einlaß- und Auslaßabschnitt (11, 12) unterteilt und an seinem Umfang mit einer Reihe von Langlöchern (13) ausgebildet ist.

4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Arbeitszylinders (1) mit dem Durchloch (4) im Kopf (2) mittels eines Paares von unter einem Winkel (α) zueinander stehenden und parallelen Langlöchern (8) verbunden ist, die mit einem Paar von Löchern (14), die auf der Gleitbuchse (5) angeordnet sind, übereinstimmen.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und in Modifikation I, dadurch gekennzeich net, daß im Durchloch (4) des Kopfes (2) unmittelbar ein Steuerrohr (9) gleit- und drehbar angeordnet ist, das am Gehäuse (7) fest eingebaut ist, wobei das Steuerrohr (9) auf jeder Seite der Trennwand (10) jeweils mit einem länglichen Einlaß- und Auslaßloch (23, 24) ausgebildet ist, und daß der Innenraum des Ar beitszylinders (1) dabei mit dem Durchloch (4) des Kopfes (2) durch ein Langloch (22) verbunden ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 und in Modifikation II, dadurch gekennzeich net, daß im Durchloch (4) des Kopfes (2) eine Steuerbuchse (25), die an ihrem Umfang mit einer Reihe von gleichmäßig abliegenden Langlöchern (26) ver sehen ist, gleit- und schwenkbar angeordnet ist und in der Steuerbuchse (25) ein Steuerrohr (9) mit Gleitspielpassung angeordnet ist, das am Gehäuse (7) fest eingebaut ist.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerrohr (9) im Bereich seines ersten Endes einen Schubzahn (27) aufweist, der mit einer Reihe von Zähnen (28) der Steuerbuchse (25) im Eingriff steht, wobei die genannte Reihe der erwähnten Zähne im Bereich des ersten Endes der Steuer buchse (25) ausgebildet ist.

8. Kolbenmaschine nach Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilung der Zähne (28) der jeweiligen größten Amplitude (α) des Ar beitszylinders (1) gleicht.