EP1134381A1

EP1134381A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: EP1134381A1
Application number: EP00810219A
Authority: EP
Inventors: Gerhard Lehofer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-15
Filing date: 2000-03-15
Publication date: 2001-09-19
Anticipated expiration: 2020-03-15
Also published as: ES2222886T3; AU2995701A; CN1298976C; CA2403178A1; US6926248B2; RU2254488C2; ATE271650T1; EP1134381B1; CA2403178C; JP3820371B2; CN1418285A; DE50007126D1; US20030106506A1; AU2001229957B2; JP2003528242A; WO2001069063A1

Abstract

Eine Kolbenmaschine mit einem Gehäuse (25), mit mindestens zwei Zylindern (3, 4; 5, 6) mit Einlassöffnungen und Auslassöffnungen, die mittels steuerbarer Ventile zu öffnen und schliessbar sind, in welchen Zylindern (3, 4, 5, 6) jeweils ein Kolben (7, 8, 9, 10) linear hin- und herbewegbar ist, und mit mindestens einer im Gehäuse (25) drehbar gelagerten Welle (17), umfasst eine Getriebevorrichtung, mit welcher die lineare Hin- und Herbewegung der Kolben (7, 8, 9, 10) in eine Rotationsbewegung der Welle (17) umwandelbar ist, bzw. die Rotationsbewegung der Welle (17) in eine lineare Hin- und Herbewegung der Kolben (7, 8, 9, 10) umwandelbar ist. Die Getriebevorrichtung umfasst einen Schwenkhebel (13; 18), welcher um eine mittig angeordnete Schwenkachse (14; 20) schwenkbar ist, die im Gehäuse (25) gelagert ist, und an welchem Schwenkhebel (13; 18) an den beiden Endbereichen jeweils eine drehbare Rolle (15; 19) angeordnet ist, deren Drehachsen jeweils senkrecht zu der Schwenkachse (14; 20) stehen, welche Rollen (15; 19) auf einer Bahn (16) abrollen, die mit der Welle (17), die derart angeordnet ist, dass sie zwischen den zwei Rollen (15; 19) verläuft, fest verbunden ist, und die mit Erhebungen und Vertiefungen versehen ist, welche so aufeinander abgestimmt sind, dass die einander gegenüberliegenden, am Schwenkhebel (13; 18) angeordneten Rollen (15; 19) in Kontakt mit der Bahn sind, und dass ferner an den beiden Endbereichen des Schwenkhebels (13; 18) jeweils eine Koppelstange (12) angelenkt ist, die mit dem entsprechenden Kolben (7, 8, 9, 10) verbunden ist. <IMAGE>

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Derartige Kolbenmaschinen sind bekannt. Insbesondere sind Hubkolbenmotoren nach dem Otto- oder Dieselverfahren bekannt, bei welchen die lineare Hin- und Herbewegung der Kolben über Pleuelstangen, die mit einer Kurbelwelle zusammenwirken, in eine Rotationsbewegung umgewandelt werden. Die Bewegung der Kolben verläuft somit sinusförmig, der Bewegungsablauf der Kolben kann nicht beeinflusst werden, eine Optimierung des Verbrennungsvorgangs, beispielsweise bei Verbrennungsmotoren hinsichtlich einer schadstoffarmen Verbrennung kann nicht erreicht werden.

In der EP-A-0 702 128 ist ein Mechanismus dargestellt, mittels welchem die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens über eine Kurvenscheibe in eine Rotationsbewegung einer Welle umgewandelt wird. Durch die Verwendung einer Kurvenscheibe kann die Bewegungscharakteristik des Kolbens an den gewünschten Vorgang angepasst und optimiert werden, durch die hier dargestellte Anordnung wirken aber wechselnde Kräfte, insbesondere Querkräfte, auf die Wände des Kolbens, was sich negativ auf die Reibungsverhältnisse auswirkt und somit die Abnützung der entsprechenden Reibflächen vergrössert wird. Des weiteren weist die Kurvenscheibe eine grosse Differenz zwischen grösstem Radius und kleinstem Radius auf, wodurch die darauf abrollende Rolle, wenn die Welle im wesentlichen eine konstante Winkelgeschwindigkeit hat, während einer Umdrehung der Welle von einer Maximalgeschwindigkeit auf eine Minimalgeschwindigkeit abgebremst und wieder auf die Maximalgeschwindigkeit beschleunigt wird. Bei schnell laufenden Motoren kommt es hierbei wegen der Trägheit der Masse der Rolle zu Gleitbewegungen zwischen Rollenoberfläche und Kurvenscheibenoberfläche, wodurch auch hier die Abnützung relativ gross wird.

Aus der Veröffentlichung Nr. WO 88/05858 ist eine Verbrennungsmaschine entnehmbar, bei welcher die Kolben paarweise gegeneinanderwirkend angeordnet sind, und deren lineare Hin- und Herbewegung über an den Kolben befestigten Rollen auf eine Kurve übertragen wird, die die Form einer Ringfläche aufweist, die mit Erhöhungen und Vertiefungen versehen ist, und die mit der Welle fest verbunden ist. Durch diese Wahl von Kurvenflächen wird die Drehzahlschwankung der Rollen, die bei der oben beschriebenen Verwendung von Kurvenscheiben sehr gross ist, wesentlich verkleinert. Durch die Verwendung von bombierten Zylinderrollen, was zur Folge hat, dass die Tragkraft sehr stark abfällt, und wodurch die Bohrbewegung, die bei Zylinderrollen auftreten würde, vermieden werden kann, bleibt eine achsiale Schiebung der Rollen in den Steigungen der Kurvenscheibe dennoch bestehen, wodurch ein relativ grosser Verschleiss nicht verhindert werden kann. Des weiteren wirkt auch bei dieser Ausführungsform eine Reaktionskraft über den Kolben auf die Zylinderwand, wodurch auch hier eine grosse Reibung entsteht.

In der Veröffentlichung WO 98/04820 wird ebenfalls eine Verbrennungsmaschine dargestellt, die im wesentlichen gleich aufgebaut ist, wie die vorgängig beschriebene, wobei anstelle einer Kurvenbahn, die als Kurvenfläche in einen Hohlzylinder eingelassen ist, eine Rippe verwendet wird, die umlaufend auf einem Zylinderkörper aufgesetzt ist. Durch diese Anordnung werden aber genau die gleichen Nachteile erhalten, wie bei der vorgängig beschriebenen Ausführungsform.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Kolbenmotor so zu gestalten, dass die Umwandlung der linearen Hin- und Herbewegung der Kolben in eine Drehbewegung der Welle und umgekehrt so erhalten werden kann, dass die Reibung und der Verschleiss möglichst gering gehalten werden können. Des weiteren soll der Aufbau des hierzu erforderlichen Mechanismus einfach und kostengünstig sein.

Erfindungsgemäss erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale.

Durch die Verwendung eines Schwenkhebels können die Reaktionskräfte in optimaler Weise vom Gehäuse aufgenommen werden, so dass praktisch keine seitlich gerichteten Kräfte auf die Kolben wirken.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Bahn, auf welcher die Rollen abrollen, in einer Hohlkugelschale verläuft, deren Zentrum im Schnittpunkt der Schwenkachse des Schwenkhebels mit der Drehachse der Welle liegt, und die Fläche der Bahn in radialer Richtung gegen das Zentrum gerichtet ist, und dass die beiden Rollen die Form eines Kegelstumpfs haben, wobei die Spitze des durch den Kegelstumpf definierten Kegels ebenfalls im oben definierten Zentrum liegt. Dadurch wird ein optimaler Abrollvorgang der Rollen auf der Bahn erreicht, es entsteht keine Bohrbewegung, eine achsiale Schiebung der Rolle wird vermieden, die Tragkraft ist wegen der Linienberührung zwischen Rolle und Bahn gross, der Verschleiss wird äusserst minim gehalten.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die jeweilige Koppelstange fest mit dem entsprechenden Kolben verbunden ist und im Bereich, in welchem diese am Schwenkhebel angelenkt ist, in einer Linearführung geführt ist, welche parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist. Dadurch wird eine optimale Führung der Kolben im Zylinder erreicht, die Reibung zwischen Kolben und Zylinder ist sehr gering, wodurch der Verschleiss und der Wirkungsgrad entsprechend verbessert wird.

In vorteilhafter Weise ist die Anlenkung zwischen Schwenkhebel und Koppelstange so ausgebildet, dass der Anlenkpunkt im Schwenkhebel im wesentlichen gegen dessen Schwenkachse hin und von dieser weg verschiebbar gelagert ist. Dadurch kann die Bogenbewegung des Schwenkhebels und die Linearbewegung der Koppelstange ohne zusätzliches Zwischenglied ausgeglichen werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass der Schwenkhebel aus einem Rahmen gebildet ist, zwischen dessen beiden parallelen Schenkeln die Welle verläuft und die beiden Schenkel jeweils mit einem Lagerzapfen ausgestattet sind, durch welche die Schwenkachse gebildet ist und die Lagerzapfen jeweils in einem Lager gelagert sind, welche Lager jeweils in einer Lasche gehalten sind, welche Laschen mit dem Gehäuse fest verbunden sind. Durch diese Konstruktion wird eine optimale Aufnahme der Kräfte, herrührend vom auf den Schwenkhebel wirkenden Drehmoment, erreicht, die Reibung kann äusserst gering gehalten werden.

In vorteilhafter Weise sind die Lager in den Laschen, die mit dem Gehäuse fest verbunden sind, einstellbar ausgebildet, wodurch der Schwenkhebel justierbar wird und die beiden Rollen in optimaler Weise mit der Bahn zusammenwirken können.

Die Welle ist in vorteilhafter Weise mit Mitteln zur Übertragung der Rotationsbewegung auf weitere Übertragungselemente ausgestattet, beispielsweise zur Steuerung der Ventile und zum Antrieb von weiteren Aggregaten.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventileinrichtung zum Öffnen und Schliessen von Einlass- und Auslassöffnungen in einem Zylinder einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenmaschine der vorgängig beschriebenen Art, zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und die einen geringen Verschleiss hat.

Erfindungsgemäss erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die im Anspruch 8 aufgeführten Merkmale. Durch die Verwendung einer Dichtplatte, die an einem schwenkbaren Hebel angelenkt ist, und die im geschlossenen Zustand die jeweilige Öffnung im Zylinder überdeckt, wird eine optimale Dichtung erreicht, ohne dass komplizierte Flächen aufeinander eingeschliffen werden müssen.

In vorteilhafter Weise ist die Dichtfläche der Dichtplatte eben ausgebildet, die entsprechende Fläche der Zylinderoberfläche, die die jeweilige Öffnung umgibt, kann ebenfalls eben ausgebildet sein, diese Flächen können in einfacher Weise erhalten werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieser Ventileinrichtung besteht darin, dass die Dichtplatte bezüglich der Schwenkachse des schwenkbaren Hebels derart beweglich gehalten ist, dass die Dichtfläche der Dichtplatte sich bezüglich der die jeweilige Öffnung umgebenden Fläche selbsttätig einstellt. Dadurch wird eine optimale Dichtheit erreicht.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieser Ventileinrichtung besteht darin, dass an der Dichtplatte ein Gegengewicht angebracht ist, welches derart angeordnet ist, dass bei der Öffnungs- und Schliessbewegung der Dichtplatte diese bezüglich des Schwenkhebels im wesentlichen stillstehend ist. Da somit zwischen Dichtplatte und Schwenkhebel praktisch keine Bewegung stattfindet, ist es nicht erforderlich, eine Schmierung vorzusehen, wodurch der Aufbau wesentlich vereinfacht wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass mindestens die Dichtplatte aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist. Hiermit ist die erforderliche Temperaturbeständigkeit ohne Kühlung gegeben, ein Verzug und Wärmespannungen in der Dichtplatte, die von der Kühlung herrühren könnten, fallen somit weg.

Ausführungsformen der erfindungsgemässen Einrichtungen werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine als Wärmemotor ausgebildete erfindungsgemässe Kolbenmaschine;

Fig. 2 eine Ansicht einer Gruppe der Zylinderanordnung in konstruktiver Ausgestaltung, zum Teil im Schnitt, des Wärmemotors gemäss Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch den Schwenkhebel entlang Linie III-III der Darstellung gemäss Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittdarstellung entlang Linie IV-IV durch den Schwenkhebel gemäss Fig. 3;

Fig. 5 eine Ansicht auf eine erste Ausführungsform einer Ventileinrichtung;

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Ventileinrichtung gemäss Fig. 5, zum Teil im Schnitt;

Fig. 7 eine Ansicht auf eine weitere Ausführungsform einer Ventileinrichtung; und

Fig. 8 eine Draufsicht auf die Ventileinrichtung gemäss Fig. 7, zum Teil im Schnitt.

Die als Wärmemotor ausgebildete Kolbenmaschine, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, umfasst zwei Gruppen 1 und 2 von jeweils vier Zylindern 3, 4, 5 und 6. In jedem Zylinder 3, 4, 5 und 6 ist jeweils ein Kolben 7, 8, 9 bzw. 10 linear verschiebbar angeordnet. Jeder Zylinder 3 bis 6 ist mit einer Ventileinrichtung 11 ausgestattet, mit welcher die Einlass- bzw. Auslassöffnungen des jeweiligen Zylinders 3 bis 6 geöffnet und geschlossen werden können, welche Ventileinrichtungen 11 später noch im Detail beschrieben werden.

An den Kolben 7, 8, 9 und 10 ist jeweils eine Koppelstange 12 befestigt. Die Koppelstange 12, die mit dem Kolben 7 verbunden ist, der sich im Zylinder 3 bewegt, ist an einem Endbereich eines Schwenkhebels 13 angelenkt. Die Koppelstange 12 des Kolbens 8, der sich im Zylinder 4 bewegt, ist an den anderen Endbereich des Schwenkhebels 13 angelenkt. Der Schwenkhebel 13 ist mittig um eine Schwenkachse 14 schwenkbar, die im Gehäuse der Kolbenmaschine gehalten ist, wie später noch beschrieben wird.

Ebenfalls an den beiden Endbereichen des Schwenkhebels 13 ist jeweils eine Rolle 15 angeordnet, deren Drehachsen jeweils senkrecht zu der Schwenkachse 14 des Schwenkhebels 13 stehen. Die Rollen 15 rollen auf einer Bahn 16 ab, die mit einer zentral angeordneten Welle 17 fest verbunden ist, und die mit Erhebungen und Vertiefungen versehen ist, wie später noch beschrieben wird.

In gleicher Weise ist die Koppelstange 12 des Kolbens 9, der im Zylinder 5 hin und her bewegbar ist, am einen Endbereich eines weiteren Schwenkhebels 18 angelenkt, während die Koppelstange 12 des Kolbens 10, der im Zylinder 6 hin und her bewegbar ist, am anderen Endbereich des weiteren Schwenkhebels 18 angelenkt ist. Auch dieser weitere Schwenkhebel 18 ist in gleicher Weise wie der Schwenkhebel 13 mit Rollen 19 ausgestattet. Der weitere Schwenkhebel 18 ist um die Schwenkachse 20 schwenkbar, die Drehachsen der Rollen 19 stehen ebenfalls senkrecht zu dieser Schwenkachse 20, die ebenfalls am Gehäuse gehalten ist.

Die Rollen 19 rollen ebenfalls auf einer Bahn 24 ab, die fest mit der Welle 17 verbunden ist.

Nachfolgend wird die Funktionsweise dieses Wärmemotors beschrieben. Durch Verdrehen der Welle 17 wird abwechslungsweise durch den Kolben 7 bzw. 8, die über die Koppelstangen 12 und den Schwenkhebel 13 in den Zylindern 3 bzw. 4 hin und her bewegbar sind, über einen Ansaugkanal 21 ein gasförmiges Medium angesaugt und verdichtet, wobei die Ventileinrichtung 11 die Einlass- bzw. Auslassöffnungen gesteuert öffnet und schliesst. Das komprimierte Gas wird in eine Hochdruckkammer 22 ausgestossen. Durch die Anordnung von vier Zylindern 3 und 4 (jeweils zwei pro Gruppe 1 bzw. Gruppe 2) und die entsprechend ausgelegte und ausgebildete Bahn 16 hat jeder der Kolben 7 bzw. 8 jeweils etwas über einen Viertel einer Umdrehung der Welle 17 für das Ausschieben des komprimierten Gases zur Verfügung, wodurch das Ausschieben mit kleiner Gasgeschwindigkeit stattfinden kann und die Strömungsverluste entsprechend gering sind. Der Verlauf der Bahn 16 mit ihren Erhöhungen und Vertiefungen, ist dabei der Charakteristik der Ventileinrichtung 11 und den entsprechenden Strömungsverhältnissen angepasst, so dass aus den Zylindern 3 und 4 ein praktisch kontinuierlicher und beinahe gleichmässiger Gasstrom in die Hochdruckkammer 22 strömt.

In der Hochdruckkammer 22 wird dem verdichteten Gas Wärme zugeführt, was beispielsweise durch Verbrennung eines entsprechenden Brennstoffes in der Hochdruckkammer 22 erfolgen kann, dargestellt durch Bezugszeichen 23. Die Wärmezufuhr kann aber auch durch einen Wärmetauscher erfolgen, der beispielsweise durch eine äussere Wärmequelle bedienbar ist. Diese äussere Wärmequelle kann praktisch beliebig betrieben werden. Durch diese Wärmezufuhr dehnt sich das Verbrennungsgas aus und strömt über die Ventileinrichtung 11 in die Zylinder 5 und 6. Das Gas expandiert, die Kolben 9 und 10 weichen abwechslungsweise zurück und treiben über die Koppelstange 12, über den weiteren Schwenkhebel 18, die Rollen 19 und die Bahn 24 die Welle 17 an. Das expandierte Gas verlässt die Zylinder 5 und 6 über die durch die Ventileinrichtung 11 gesteuerten Auslassöffnungen. Auch in den Zylindern 5 und 6 erfolgt das Füllen durch das Verbrennungsgas wiederum durch langsames Überströmen und damit mit kleinem Energieverlust. Die Ventileinrichtungen 11 werden in bekannter Weise über die Welle 17 mit dem entsprechenden Antriebsmechanismus gesteuert.

Bei einem derartigen Wärmemotor kann beispielsweise das Gas in der Hochdruckkammer bei einem Druck von ca. 15 bis 20 bar auf eine Temperatur von etwa 1500 Kelvin erhitzt werden. Das Hubvolumen der Zylinder, die das erwärmte Gas aufnehmen ist etwa 2,5 mal so gross, wie das Hubvolumen der Zylinder, die das Gas ansaugen und komprimieren. Die Temperatur des ausströmenden Gases beträgt dann etwa 470 Kelvin.

In den Ansaugkanal 21 können im Bereich der Ventileinrichtungen 11 an sich bekannte Drosselscheiben 56 (Fig. 2) eingesetzt werden. Entsprechende Drosselscheiben werden auch im Bereich der Ventileinrichtungen 11 der Zylinder 5 und 6 eingesetzt. Dadurch kann die Füllung der Zylinder 3 und 4, welche das Gas ansaugen und komprimieren, beeinflusst werden. Bei nicht vollständiger Füllung wird der Kompressionsdruck kleiner, was zu einem kleineren Druck im Verbrennungsraum führt. Im Verbrennungsraum wird soviel Wärme zugeführt, dass sich in Verbindung mit der Abfuhr des erwärmten Gases in den Zylindern 5 und 6 ein konstanter Druck einstellt. Dieser Druck kann gemessen und über die Wärmezufuhr geregelt werden. Mit den entsprechenden Drosselscheiben kann vermieden werden, dass Gas in die Zylinder 5 und 6 zurückfliessen kann.

Beim vorgängig beschriebenen Beispiel wird ein offener Gaskreislauf beschrieben. Selbstverständlich ist es auch denkbar, den Wärmemotor mit geschlossenem Kreislauf auszugestalten. Hierbei kann die Wärmezuführung durch einen Wärmetauscher erfolgen, welcher beispielsweise über Sonnenenergie erwärmt wird. Das aus den Zylindern 5 und 6 ausgestossene Gas könnte einer Niederdruckkammer zugeführt werden, in welcher dem Gas Wärme entzogen wird, wonach dieses Gas wieder den Zylindern 3 und 4 zugeführt werden könnte.

Aus Fig. 2, in welcher eine Gruppe 1 der in Fig. 1 beschriebenen Kolbenmaschine dargestellt ist, ist ersichtlich, wie die Zylinder 3, 4, 5 und 6 und die Welle 17 im Gehäuse 25 angeordnet sind. Ebenfalls am Gehäuse 25 ist die nicht dargestellte Schwenkachse gelagert, wie später noch beschrieben wird, um welche der Schwenkhebel 13 schwenkbar ist. Wie bereits erwähnt, sind die Rollen 15 jeweils an einem Endbereich des Schwenkhebels 13 drehbar gelagert und rollen auf der Bahn 16 ab. Diese Bahn 16 ist als eine Art Ringfläche ausgebildet, die durch eine Hohlkugelschale 26 gebildet ist. Diese Hohlkugelschale 26 weist einen abgeflachten Teil 27 auf, an welchem beispielsweise ein Zahnrad 28 befestigt ist, und welcher mit der Welle 17 fest verbunden ist. Das Zentrum der Hohlkugelschale 26 befindet sich im Schnittpunkt der Schwenkachse 14 des Schwenkhebels 13 mit der Drehachse 29 der Welle 17. Dadurch hat die in der Hohlkugelschale 26 verlaufende Bahn 16, die Erhebungen und Vertiefungen aufweist, immer den selben Abstand vom oben genannten Zentrum.

Diese Hohlkugelschalen 26 mit den abgeflachten Teilen und die weiteren auf der Welle 17 angebrachten Zahnrädern 28 usw. dienen gleichzeitig als Schwungmasse, wodurch ein gleichförmiger Lauf der Kolbenmaschine gewährleistet ist.

Die Fläche der Bahn 16 ist in radialer Richtung immer gegen das Zentrum gerichtet. Die Rollen 15, die auf der Bahn 16 abrollen, weisen die Form eines Kegelstumpfs auf, wobei die Spitze des durch den Kegelstumpf definierten Kegels ebenfalls im Zentrum liegt.

Durch diese Anordnung ergeben sich für die Rollen 15 auf der gesamten Länge der Bahn 16 immer optimale Abrollbedingungen, es entsteht somit keine Bohrbewegung der Rolle bezüglich der Bahn, eine axiale Schiebung der Rolle wird vermieden, der Verschleiss ist somit sehr gering. Durch die stetige Linienberührung zwischen Rolle 15 und Bahn 16 ist auch die Tragkraft gross.

In gleicher Weise rollen die Rollen 19, die am weiteren Schwenkhebel 18 befestigt sind, auf einer entsprechend geformten Bahn 24 ab, wodurch die Kolben 9 und 10 (Fig. 1) in den Zylindern 5 und 6 hin und her bewegt werden, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet werden kann. Auch hier wird somit ein optimaler Abrollvorgang der Rollen 19 auf der entsprechenden Bahn 24 erreicht.

Die Koppelstangen 12 sind mit den Kolben 7 und 8, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, fest verbunden. In gleicher Weise sind auch die Koppelstangen 12 fest mit den Kolben 9 bzw. 10 verbunden, die sich in den Zylindern 5 und 6 hin und her bewegen. Deshalb ist im Bereich des jeweiligen Schwenkhebels 13 bzw. 18 die Koppelstange 12 jeweils in einer Linearführung 30 geführt. Die Verbindung zwischen Koppelstange 12 und Schwenkhebel 13 bzw. 18 ist so ausgebildet, dass der Anlenkpunkt im wesentlichen gegen die Schwenkachse 14 bzw. 20 des Schwenkhebels 13 bzw. 18 hin und von dieser weg verschiebbar gelagert ist, so dass die Bogenbewegung des Schwenkhebels 13 bzw. 18 und die Linearbewegung der Koppelstange 12 ohne zusätzliches Zwischenglied ausgeglichen werden können. Dadurch wird ein optimaler Lauf der Kolben 7, 8, 9 und 10 in den jeweiligen Zylindern 3, 4, 5 und 6 erreicht.

Wie ebenfalls aus Fig. 2 entnehmbar ist, kann die Welle 17 noch weitere Aggregate antreiben, wie dies im unteren Teil von Fig. 2 dargestellt ist, wie beispielsweise die Steuerung der Ventileinrichtungen 11.

Wie des weiteren aus Fig. 2 ersichtlich ist, können die Kolbenflächen der Kolben 7, 8, 9 und 10 mit einer wärmeisolierenden Schicht 57 versehen sein. Entsprechend kann auch die Hochdruckkammer 22 (Fig. 1) mit wärmeisolierendem Material ausgekleidet sein.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, dass der Schwenkhebel 13 bzw. der weitere Schwenkhebel 18 die Form eines Rahmens 31 aufweist. Dieser Rahmen 31 ist aus zwei Schenkeln 32 und 33 gebildet, zwischen welchen die Welle 17 verläuft. An den beiden Schenkeln 32 und 33 ist jeweils ein Lagerzapfen 34 befestigt, der in ein Lager 35 eingreift, das jeweils in einer Lasche 36 gehalten ist, welche Lasche 36 am Gehäuse befestigt ist. Durch diese beiden Lagerzapfen 34 wird somit die Schwenkachse 14 bzw. 20 gebildet.

Durch die Verwendung eines Schwenkhebels sind für die Bewegungsübertragung zwischen zwei Kolben und der Bahn lediglich zwei Rollen erforderlich, wodurch der Aufbau vereinfacht wird. Um eine optimale Lage der Rollen bezüglich der Bahn erreichen zu können, können die Lager 35, in welchen die Lagerzapfen des Schwenkhebels gelagert sind, in bekannter Weise einstellbar ausgebildet sein, beispielsweise mittels Stellschrauben.

Die beiden Schenkel 32 und 33 sind am Endbereich mit einem Verbindungssteg 37 miteinander verbunden. In diesem Verbindungssteg 37 ist ein Lagerbolzen 38 befestigt, auf welchem die Rolle 15 bzw. 19 drehbar und gegen achsiale Verschiebung gesichert gelagert ist. Am Lagerbolzen 38 sind zwei Stege 39 und 40 befestigt, welche jeweils mit einem Längsschlitz 41 versehen sind. In diese Längsschlitze 41 ist eine Lagerbüchse 42 längsverschiebbar eingesetzt, in welcher ein Achsstück 43 gehalten ist. Dieses Achsstück 43 ist beidseitig in den Linearführungen 30 geführt. An der Lagerbüchse 42 gehalten ist jeweils das entsprechende Ende der Koppelstange 12. Durch diese Lagerung ist die bogenförmige Schwenkbewegung des Schwenkhebels 13 bzw. 18 an die Linearbewegung der Koppelstange 12 ausgleichbar.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Ventileinrichtung 44, mit welcher eine Einlass- bzw. Auslassöffnung 45 in einem Zylinder einer Kolbenmaschine geöffnet und verschlossen werden kann. Diese Ventileinrichtung 44 besteht aus einer Schwenkachse 46, an welcher ein Hebel 47 befestigt ist. Die Schwenkachse 46 ist bezüglich des entsprechenden Zylinders schwenkbar und ortsfest gelagert. Der schwenkbare Hebel 47 ist mit einer schlitzförmigen Ausnehmung 48 versehen, in welche ein Steg 49 zu liegen kommt, der an der Dichtplatte 50 befestigt ist. Der schwenkbare Hebel 47 und der Steg 49 sind mit einer durchgehenden Bohrung versehen, in welche ein Achsstück 51 eingesetzt ist. Im mittleren Bereich weist das Achsstück 51 eine kugelige Form auf, auf welcher der Steg 49 gelagert ist. Durch das vorgesehene Spiel zwischen der schlitzförmigen Ausnehmung 48 und dem Steg 49 ist dieser sowohl um die durch das Achsstück 51 gebildete Achse wie auch eine quer hierzu stehende Achse um ein geringes Mass schwenkbar.

Die Dichtplatte 50, die im geschlossenen Zustand die Einlass- bzw. Auslassöffnung verschliesst, stützt sich mit ihrer ebenen Dichtfläche 52 auf der die jeweilige Öffnung 45 umgebenden Fläche 53 der Zylinderoberfläche ab. Durch die Möglichkeit des Verschwenkens des Steges 49 bezüglich des Achsstückes 51 passt sich die Dichtfläche 52 der Dichtplatte 50 der Fläche 53 an. Dadurch wird die Dichtung optimal, die Bearbeitung der Dichtflächen ist entsprechend einfach. Durch diese Ausgestaltung können auch Wärmedehnungen des entsprechenden Materials ausgeglichen werden.

Wie bereits erwähnt, erfolgt das Öffnen und Schliessen über das Verschwenken der Schwenkachse 46. Der Antriebsmechanismus kann einen bekannten Aufbau haben, denkbar wäre auch die Verwendung eines Schwenkhebels mit einer Rolle, die auf einer Bahn abrollt, wie sie zur Bewegung der Kolben in der vorgängig beschriebenen Kolbenmaschine verwendet wird.

Da diese Bewegungen bei schnell laufenden Kolbenmaschinen sehr schnell erfolgen, soll vermieden werden, dass sich die Dichtplatte 50 bezüglich des Achsstückes 51 zu stark bewegt. Deshalb ist am Steg 49 auf der der Dichtplatte 50 gegenüberliegenden Seite ein Gegengewicht 54 angeordnet. Dieses Gegengewicht 54 ist so angeordnet und ausgelegt, dass sich bei der Öffnungs- und Schliessbewegung der Ventileinrichtung die Dichtplatte 50, der Steg 49 und das Gegengewicht 54 wegen der Trägheit bezüglich des Achsstücks 51 praktisch nicht bewegt. Somit ist es auch nicht erforderlich, dass eine Schmiereinrichtung vorgesehen ist, mit welcher die Lagerung der Dichtplatte geschmiert werden müsste. Dadurch wird der Aufbau dieser Ventileinrichtung vereinfacht.

Um auch eine Kühlung weglassen zu können, kann das Material der Dichtplatte 50, des Steges 49 und des Gegengewichts 54 entsprechend ausgewählt werden, beispielsweise ist es vorteilhaft, dieses Teil aus einem keramischen Werkstoff herzustellen.

In den Fig. 7 und 8 ist eine Ausführungsform einer Ventileinrichtung 44 gezeigt, die im wesentlichen den gleichen Aufbau hat wie die vorgängig beschriebene, wobei aber der Achsbolzen 51 nicht mehr mit einem kugelförmigen Mittelstück versehen ist und somit die Dichtplatte 50 bezüglich dieses Achsstückes 51 nur um eine Achse schwenkbar ist und dass die Schwenkbarkeit um die senkrecht zum Achsstück 51 stehende Achse durch einen weiteren Bolzen 55 erreicht wird, um welchen der schwenkbare Hebel 47 um die Schwenkachse 46 geringfügig schwenkbar ist. Auch damit wird in optimaler Weise erreicht, dass sich die ebene Dichtfläche 52 der Dichtplatte 50 an die Fläche 53 anpasst. Auch hier wird durch das Anbringen des Gegengewichts 54 erreicht, dass sich die Dichtplatte 50, der Steg 49 und das Gegengewicht 54 bezüglich der Drehachsen möglichst wenig bewegen, so dass auch hier auf eine Schmierung verzichtet werden kann.

Diese Ventileinrichtung 44 kann für Kolbenmaschinen jeglicher Art verwendet werden, beispielsweise Wärmemotoren, wie vorgängig beschrieben worden ist, Wärmepumpen, aber auch Kompressoren usw.

Claims

Kolbenmaschine mit einem Gehäuse (25), welche mindestens zwei Zylinder (3, 4; 5, 6) mit Einlassöffnungen und Auslassöffnungen, die mittels steuerbarer Ventile zu öffnen und schliessbar sind, in welchen Zylindern (3, 4, 5 ,6) jeweils ein Kolben (7, 8, 9, 10) linear hin- und herbewegbar ist, und mindestens eine im Gehäuse (25) drehbar gelagerte Welle (17) umfasst, und bei welcher die Kolben (7, 8, 9, 10) und die Welle (17) über eine Getriebevorrichtung miteinander gekoppelt sind, mittels welcher Getriebevorrichtung die lineare Hin- und Herbewegung der Kolben (7, 8, 9, 10) in eine Rotationsbewegung der Welle (17) umwandelbar ist, bzw. die Rotationsbewegung der Welle (17) in eine lineare Hin- und Herbewegung der Kolben (7, 8, 9, 10) umwandelbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebevorrichtung einen Schwenkhebel (13; 18) umfasst, welcher um eine mittig angeordnete Schwenkachse (14; 20) schwenkbar ist, die im Gehäuse (25) gelagert ist, und an welchem Schwenkhebel (13; 18) an den beiden Endbereichen jeweils eine drehbare Rolle (15; 19) angeordnet ist, deren Drehachsen jeweils senkrecht zu der Schwenkachse (14; 20) stehen, welche Rollen (15; 19) auf einer Bahn (16; 24) abrollen, die mit der Welle (17), die derart angeordnet ist, dass sie zwischen den zwei Rollen (15; 19) verläuft, fest verbunden ist, und die mit Erhebungen und Vertiefungen versehen ist, welche so aufeinander abgestimmt sind, dass die einander gegenüberliegenden, am Schwenkhebel (13; 18) angeordneten Rollen (15; 19) in Kontakt sind mit der Bahn, und dass ferner an den beiden Endbereichen des Schwenkhebels (13; 18) jeweils eine Koppelstange (12) angelenkt ist, die mit dem entsprechenden Kolben (7, 8, 9, 10) verbunden ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bahn in einer Hohlkugelschale (26) verläuft, deren Zentrum im Schnittpunkt der Schwenkachse (14; 20) des Schwenkhebels (13; 18) mit der Drehachse der Welle (17) liegt, und die Fläche der Bahn in radialer Richtung gegen das Zentrum gerichtet ist, und dass die beiden Rollen (15; 19), die auf der Bahn (16; 24) abrollen, die Form eines Kegelstumpfs haben, wobei die Spitze des durch den Kegelstumpf definierten Kegels im Zentrum liegt.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweilige Koppelstange (12) fest mit dem entsprechenden Kolben (7, 8, 9, 10) verbunden ist und im Bereich, in welchem sie am Schwenkhebel (13; 18) angelenkt ist, in einer Linearführung (30) geführt ist, welche parallel zur Zylinderachse ausgerichtet ist.
Kolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlenkung zwischen Schwenkhebel (13; 18) und Koppelstange (12) so ausgebildet ist, dass der Anlenkpunkt im Schwenkhebel (13; 18) im wesentlichen gegen dessen Schwenkachse (14; 20) hin und von dieser weg verschiebbar gelagert ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkhebel (13; 18) aus einem Rahmen (31) gebildet ist, zwischen dessen beiden Schenkeln (32, 33) die Welle (17) verläuft, und die beiden Schenkel (32, 33) jeweils mit einem Lagerzapfen (34) ausgestattet sind, durch welche die Schwenkachse gebildet ist, und die Lagerzapfen (34) jeweils in einem Lager (35) gelagert sind, welche Lager (35) jeweils in einer Lasche (36) gehalten sind, welche Laschen (36) mit dem Gehäuse (25) fest verbunden sind.
Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager (35) in den Laschen (36), die mit dem Gehäuse (25) fest verbunden sind, einstellbar ausgebildet sind.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Welle Mittel zur Übertragung der Rotationsbewegung auf weitere Übertragungselemente vorgesehen sind.
Ventileinrichtung zum Öffnen und Schliessen von Einlass- und Auslassöffnungen (45) in einem Zylinder einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Ein- bzw. Auslassöffnung (45) ein um eine Schwenkachse (46) schwenkbarer Hebel (47) vorgesehen ist, welche Schwenkachse (46) bezüglich des Zylinders ortsfest gelagert ist, und an welchem schwenkbaren Hebel (47) eine Dichtplatte (50) angelenkt ist, die im geschlossenen Zustand die jeweilige Öffnung im Zylinder überdeckt.
Ventileinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Dichtplatte (50) gebildete Dichtfläche (52) im wesentlichen eben ist und im geschlossenen Zustand auf einer die jeweilige Öffnung umgebenden entsprechenden Fläche (53) der Zylinderoberfläche aufliegt.
Ventileinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtplatte (50) bezüglich der Schwenkachse (46) des schwenkbaren Hebels (47) derart beweglich gehalten ist, dass die Dichtfläche (52) der Dichtplatte (50) sich bezüglich der die jeweilige Öffnung umgebenden Fläche (53) selbsttätig einstellt.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Dichtplatte (50) ein Gegengewicht (54) angebracht ist, welches derart angeordnet ist, dass bei der Öffnungs- und Schliessbewegung der Dichtplatte (50) diese bezüglich des Schwenkhebels (47) im wesentlichen stillstehend ist.
Ventileinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Dichtplatte (50) aus einem keramischen Werkstoff hergestellt ist.