EP2205832B1

EP2205832B1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: EP2205832B1
Application number: EP08844218.1A
Authority: EP
Inventors: Herbert Hüttlin
Original assignee: Huettlin Herbert
Current assignee: Huettlin Herbert
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-29
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2028-10-29
Also published as: CN101842554B; DE102007054321A1; JP5010742B2; WO2009056295A1; US8141475B2; JP2011501032A; CN101842554A; US20100269688A1; EP2205832A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschinegemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Kolbenmaschine ist aus US 3 598 094 A bekannt.
Eine Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere als Brennkraftmaschine verwendet werden. In der vorliegenden Beschreibung wird die Verwendung der Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine als die bevorzugte Verwendung dargestellt. Andere Einsatzmöglichkeiten einer Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch möglich, beispielsweise die Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor.
Eine aus dem Dokument WO 2006/122658 A bekannte Kolbenmaschine ist eine Rotationskolbenmaschine. In dem Gehäuse der bekannten Kolbenmaschine sind insgesamt vier Kolben angeordnet, die gemeinsam um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen. Beim gemeinsamen Umlaufen um die Drehachse führen die vier Kolben hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei jeweils zwei Kolben, die ein Kolbenpaar bilden, zueinander gegensinnig hin- und hergehende Bewegungen ausführen, um eine zwischen den Endflächen der zwei Kolben des Kolbenpaars definierte Arbeitskammer abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern. Insgesamt weist die bekannte Rotationskolbenmaschine zwei Arbeitskammern auf, wobei sich die Arbeitskammern gleichsinnig verkleinern und vergrößern. Die vier Kolben sind in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der zusammen mit den Kolben um die Drehachse umläuft.
Im Wege der periodischen Verkleinerung und Vergrößerung der Volumina der Arbeitskammern finden im Fall der Verwendung der bekannten Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine die Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens statt.
Die hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen Kolben werden dabei aus der Rotation der Kolben um die Drehachse abgeleitet, indem die Kolben jeweils ein Führungsglied aufweisen, das in einer Steuerkurve eines gehäusefesten Kurvenglieds läuft, wobei die Steuerkurve eine entsprechende wellenförmige Konturierung hat, um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben aus der Rotation der Kolben um die Drehachse abzuleiten.
Im Fall der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine kann die Rotation des Kolbenkäfigs auf eine Abtriebswelle übertragen werden, um beispielsweise ein Fahrzeug anzutreiben.
Weitere Rotationskolbenmaschinen vergleichbarer Art sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2005 024 751 A1 oder aus WO 03/067033 A1 bekannt. Bei der aus DE 10 2005 024 751 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine ist das Kurvenglied unmittelbar in die Innenwand des Gehäuses integriert, ebenso bei der aus WO 03/067033 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine.
Bei den zuvor beschriebenen bekannten Kolbenmaschinen ergibt sich ein Nachteil daraus, dass die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben, die für die Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens maßgeblich sind, aus einer Rotation der Kolben um die Drehachse abgeleitet werden, und dass zwangsläufig auch der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die Drehachse rotiert. Durch die Rotation der Kolben um die Drehachse wirken auf diese Fliehkräfte, die zu fliehkraftbedingten Reibungen zwischen den Kolbenaußenwänden und der Innenwand des Kolbenrotors führen, da die Kolben zwar gemeinsam mit dem Kolbenkäfig rotieren, jedoch relativ zu dem Kolbenkäfig hin- und hergehende Gleitbewegungen ausführen müssen. Diese hin- und hergehenden Bewegungen sind aufgrund der Fliehkräfte, die auf die Kolben wirken, somit reibungsbehaftet. Die auf die Kolben wirkenden Fliehkräfte beeinträchtigen daher die Laufeigenschaften der bekannten Kolbenmaschinen.
Aus dem eingangs genannten Dokument US 3 598 094 ist eine Brennkraftmaschine bekannt, bei der die hin- und hergehende Bewegung eines oder mehrerer Kolben durch eine Rotation eines Kurvenstücks, das eine Steuerkurve aufweist, und in die ein mit dem jeweiligen Kolben verbundener Stift eingreift, erzeugt wird. In einer anderen Ausgestaltung dieser bekannten Brennkraftmaschine ist in dem Gehäuse in Bezug auf die Drehachse stirnseitig ein Gaseinlass und ein Gasauslass vorhanden, in dem ein Tulpenventil angeordnet ist, dessen Steuerung über einen Nocken über die Rotation des Kurvenstücks abgeleitet ist.
US 2 425 813 offenbart einen Kompressor zur Verwendung an einer Brennkraftmaschine. Der Kompressor weist eine hohle drehbare Welle auf, die durch einen Gebläseriemen angetrieben wird. Die Welle trägt eine Hülse, in der die Welle rotiert, wobei die Hülse scheibenförmige Kolben trägt, die bezüglich der Hülse drehfest sind, jedoch hin- und hergehende Bewegungen entlang der Achse derselben ausführen können.
Aus US 4 290 341 A ist eine Rotationskolbenmaschine bekannt, bei der die Kolben als Schwingkolben ausgebildet sind, die um eine feststehende Schwenkachse schwingen.
Aus DE 101 15 167 C1 ist ferner eine Radialkolben-Hochdruckpumpe, insbesondere als Kraftstoffpumpe für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, bekannt. Diese Hochdruckpumpe weist in einem Pumpenkopf radial bewegliche Pumpkolben auf, deren hin- und hergehende Bewegungen durch einen die Pumpkolben umgebenden drehbaren Nockenring erzeugt werden, der eine entsprechend konturierte Nockenbahn aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Kolbenmaschine durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine löst sich von dem Konzept der Rotationskolbenmaschinen, indem die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens oder der Kolben nicht aus einer Rotationsbewegung des Kolbens bzw. der Kolben um die Drehachse abgeleitet werden, sondern aus einer Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse, während der Kolben oder die Kolben bezüglich der Drehachse nicht rotiert/rotieren. Fliehkräfte bezüglich der Drehachse auf den oder die Kolben werden somit ausgeschlossen. Der zumindest eine erste Kolben führt seine hin- und hergehenden Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse festen Bewegungsebene aus, während bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen die Bewegungsebene der hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen Kolben ebenfalls um die Drehachse rotiert.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine kommt auch mit wesentlich weniger rotierenden Teilen als die bekannten Rotationskolbenmaschinen aus, weil auf die Rotation des oder der Kolben verzichtet wird, und nur noch das masseärmere Kurvenglied eine Rotationsbewegung ausführt, um die hin- und hergehenden Bewegungen des oder der Kolben zu erzeugen.
Das Konzept der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine wird vorteilhaft in einer Ausgestaltung angewandt, bei der dem zumindest einen ersten Kolben ein zweiter Kolben gegenübersteht, der beim Rotieren des Kurvengliedes zu dem ersten Kolben gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei der zweite Kolben eine zweite Endfläche aufweist, die der ersten Endfläche des ersten Kolbens zugewandt ist, und sich die Arbeitskammer, in der ein Arbeitsgas, insbesondere ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verdichtet, gezündet und expandiert wird, zwischen den Endflächen befindet.
Dieses an sich beispielsweise aus dem eingangs genannten Dokument bekannte Boxerprinzip, bei dem die zwei Kolben gegeneinander arbeiten, hat den Vorteil, dass bei vergleichsweise geringem Hub der beiden Kolben ein großes Atmungsvolumen der Arbeitskammer erzielt wird.
In dem Gehäuse sind in Bezug auf die Drehachse stirnseitig ein Gaseinlass und ein Gasauslass vorhanden, wobei der Gaseinlass und der Gasauslass mittels eines Drehschiebers, der eine Öffnung aufweist, freigegeben und verschlossen wird, der um die Drehachse mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied rotiert.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine ermöglicht es vorteilhaft, dass der Gaseinlass und der Gasauslass in unmittelbarer Nähe zur Drehachse in dem stirnseitigen Teil des Gehäuses vorgesehen werden können, ohne dass der Gaseinlass und der Gasauslass beispielsweise mit einem rotierenden Teil kollidieren. Über den Drehschieber, der eine Öffnung aufweist, wird auf konstruktiv vorteilhaft besonders einfache Weise ein Einlass- und Auslassventil geschaffen, um ein Gas, beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, in die Arbeitskammer einzulassen, und ein Gas, beispielsweise verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch, aus der Arbeitskammer auszulassen, wobei durch die gleiche Drehgeschwindigkeit des Drehschiebers wie die Drehgeschwindigkeit des Kurvenglieds der Zeitpunkt des Gaseinlasses und des Gasauslasses mit der hin- und hergehenden Bewegung des zumindest einen ersten Kolbens synchronisiert ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der zweite Kolben ein Führungsglied auf, das mit der Steuerkurve des Kurvenglieds in Eingriff steht.
Bei dieser Ausgestaltung werden somit die hin- und hergehenden Bewegungen der beiden sich gegenüberstehenden Kolben unabhängig voneinander aus der Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse abgeleitet. Dies hat den Vorteil, dass zur Erzeugung der hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten Kolbens keine mechanische Kopplung zwischen den beiden Kolben vorgesehen werden muss. Für den ersten und zweiten Kolben ist darüber hinaus nur eine Steuerkurve in dem Kurvenglied erforderlich.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft die Drehachse mittig durch die Arbeitskammer.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine stirnseitig im Gehäuse und auf der Drehachse liegend eine Zündvorrichtung zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer angeordnet werden kann. Eine Anordnung der Zündvorrichtung auf der Drehachse ist zwar beispielsweise auch bei der bekannten Rotationskolbenmaschine gemäß WO 2006/122658 A1 vorgesehen, jedoch besteht dort der Nachteil, dass die Zündvorrichtung durch eine Bohrung in dem rotierenden Kolbenkäfig durchgeführt ist, was zu Dichtungsproblemen zwischen der Zündvorrichtung und dem rotierenden Kolbenkäfig führen kann. Bei der erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann dagegen die Zündvorrichtung durch das Gehäuse und somit durch ein feststehendes Teil durchgeführt und leicht abgedichtet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der zumindest eine erste Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der bezüglich des Gehäuses feststehend ist.
Die Aufnahme des zumindest einen ersten Kolbens in einem Kolbenkäfig hat den Vorteil, dass der Kolben eine zylindrische Form aufweisen kann, so dass die erste Endfläche des zumindest einen ersten Kolbens kreisförmig ausgebildet werden kann, und der Kolben in einer kreisförmigen Bohrung in dem Kolbenkäfig gleitend gelagert werden kann. Auch dies ist bei der aus WO 2006/122658 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine bereits realisiert, jedoch mit dem Unterschied, dass dort der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die Drehachse rotiert, während in der vörliegenden Ausgestaltung der Kolbenkäfig gehäusefest ausgebildet ist. Damit werden die bei der bekannten Rotationskolbenmaschine auftretenden fliehkraftbedingten Reibungen zwischen den Kolben und dem Kolbenkäfig bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine vermieden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung steht mit dem Kurvenglied eine Welle in Wirkverbindung, derart, dass die Rotation des Kurvengliedes in eine Rotation der Welle umgesetzt wird.
Der Abgriff der Drehbewegung, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, erfolgt hier vorteilhafterweise von dem rotierenden Kurvenglied, so dass die Drehung des Kurvenglieds unmittelbar in eine Drehung der Welle übertragen werden kann, was komplizierte Umsetzungsgetriebe vermeidet.
Bevorzugt ist es dabei, wenn die Welle über eine Schneckenverzahnung mit dem Kurvenglied verbunden ist.
Auf diese Weise kann die Welle vorteilhafterweise direkt mit der Außenseite des Kurvengliedes in Eingriff stehen, wodurch weitere bewegliche Teile zwischen dem Kurvenglied und der Welle eingespart werden. Die Welle ist dabei vorzugsweise senkrecht zur Drehachse angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rotation des Drehschiebers aus der Rotation des Kurvengliedes über ein Getriebe mit einer Übersetzung der Drehzahl von 1:1 abgeleitet wird.
Ein solches Getriebe kann wiederum wie im Fall der oben genannten Welle durch eine Schneckenverzahnung zwischen der Außenseite des Kurvengliedes und einer Antriebswelle für den Drehschieber ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse insgesamt vier Kolben angeordnet, von denen der zumindest erste und ein zweiter Kolben ein erstes Kolbenpaar und ein dritter und ein vierter Kolben ein zweites Kolbenpaar bilden, wobei das zweite Kolbenpaar eine zweite Arbeitskammer definiert, die mit der durch das erste Kolbenpaar definierten Arbeitskammer in einer Ebene liegt, wobei die hinund hergehenden Bewegungen des ersten und dritten Kolbens gleichgerichtet sind, und wobei die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten und vierten Kolbens gleichgerichtet sind.
Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine weist diese wie die bekannte Rotationskolbenmaschine zwar ebenfalls vier Kolben und zwei Arbeitskammern auf, jedoch vergrößern und verkleinern sich die beiden Arbeitskammern bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine im Unterschied zu der bekannten Rotationskolbenmaschine gegensinnig, d.h. wenn die eine Arbeitskammer ihr minimales Volumen aufweist, weist die andere Arbeitskammer ihr maximales Volumen auf, und umgekehrt. Der Vorteil hierbei besteht insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Konzept, dass die Kolben in dem Gehäuse nicht mehr um die Drehachse rotieren, darin, dass zum einen auf die Kolben; wie bereits oben erwähnt, keine Fliehkräfte wirken, und andererseits zwei über ihre den Endflächen entgegengesetzten Rückseiten benachbarte Kolben, d.h. der erste und dritte bzw. der zweite und vierte Kolben, sich jeweils gemeinsam in der gleichen Richtung hin- und herbewegen. Hierdurch werden Schwingungen der Kolbenmaschine im Betrieb reduziert.
In der Ausgestaltung, in der die Kolbenmaschine insgesamt vier Kolben aufweist, weisen auch der dritte und der vierte Kolben jeweils ein Führungsglied auf, wobei die beiden Führungsglieder in eine weitere Steuerkurve des Kurvengliedes eingreifen.
Hierbei ist von Vorteil, dass die hin- und hergehenden Bewegungen aller vier Kolben durch das Kurvenglied wohldefiniert geführt sind.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und dritte Kolben auf ihren einander zu gewandten Seiten miteinander verbunden, und der zweite und vierte Kolben sind auf ihren einander zu gewandten Seiten ebenfalls miteinander verbunden.
Hierbei ist von Vorteil, dass über einen vollen Umlauf des Kurvenglieds gesehen stets gewährleistet ist, dass die Führungsglieder der Kolben mit direktem und sicherem Kontakt an der jeweiligen Steuerkurve des Kurvengliedes anliegen, weil die Verbindung zwischen dem ersten und dritten bzw. zweiten und vierten Kolben bewirkt, dass zwischen diesen Kolben ein gegenseitiger Schlepp- oder Mitnahmeeffekt bei der hin- und hergehenden Bewegung besteht.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
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.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1: eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine in einer Längsschnittdarstellung in einer ersten Schnittebene entlang der Drehachse;
Fig. 2: die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang einer Schnittebene entlang der Drehachse, jedoch senkrecht zur Schnittebene in Fig. 1, teilweise mit Aufbrechungen;
Fig. 3: die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer Längsschnittdarstellung gemäß Fig. 2, wobei die Kolben sich in einer gegenüber Fig. 1 und 2 verschiedenen Betriebsstellung befinden;
Fig. 4: die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer mit Fig. 3 vergleichbaren Darstellung, wobei sich die Kolben in einer weiteren Betriebsstellung befinden;
Fig. 5: eine Stirnansicht der Kolbenmaschine in Fig. 1;
Fig. 6: ein Kurvenglied der Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer ausschnittsweisen perspektivischen Darstellung zusammen mit den Kolben der Kolbenmaschine, wobei sich die Kolben in einer ersten Betriebsstellung befinden;
Fig. 7: die Anordnung aus Fig. 6, wobei sich die Kolben in einer gegenüber Fig. 6 veränderten Betriebsstellung befinden; und
Fig. 8: ein Diagramm, das die Arbeitstaktfolge in zwei parallelgeschalteten Kolbenmaschinen gemäß Fig. 1 veranschaulicht.

In Fig. 1 bis 5 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Kolbenmaschine dargestellt. Weitere Einzelheiten der Kolbenmaschine sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt.
Die Kolbenmaschine 10 dient in der vorliegenden Ausführung als Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
Die Kolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus mehreren Gehäusesegmenten aufgebaut ist. Das Gehäuse 12 weist im Wesentlichen eine Kugelsymmetrie auf, ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
In Bezug auf eine später noch zu erläuternde Drehachse 14 weist das Gehäuse 12 ein erstes stirnseitiges Gehäusesegment 16 und diesem gegenüberliegend ein zweites stirnseitiges Gehäusesegment 18 sowie in Umfangsrichtung um die Drehachse 14 ein oder mehrere Gehäusesegmente 20 als Hauptbestandteile des Gehäuses 12 auf.
In dem Gehäuse 12 sind insgesamt vier Kolben angeordnet, und zwar ein erster Kolben 22, ein zweiter Kolben 24, ein dritter Kolben 26 und ein vierter Kolben 28.
Alle vier Kolben 22 bis 28 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wie insbesondere aus Fig. 2 bis 4 hervorgeht.
Der erste Kolben 22 weist eine erste Endfläche 30, der zweite Kolben 24 eine zweite Endfläche 32, der dritte Kolben 26 eine dritte Endfläche 34 und der vierte Kolben 28 eine vierte Endfläche 36 auf.
Der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 definieren zwischen ihren jeweiligen Endflächen 30 und 32 eine erste Arbeitskammer 38, und der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben 28 definieren zwischen ihren Endflächen 34 und 36 eine zweite Arbeitskammer 40.
Die Kolben 22 bis 28 führen in dem Gehäuse 12 hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei diese hin- und hergehenden Bewegungen hier als Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse 41 stattfinden, die senkrecht zu der oben genannten Drehachse 14 verläuft und bezüglich des Gehäuses 12 feststeht. Die Kolben 22 bis 28 sind hier entsprechend gekrümmt zylindrisch ausgebildet. Es versteht sich, dass die Kolben 22 bis 28 in einer abgewandelten Ausführungsform anstatt Schwenkbewegungen auch linear hin- und hergehende Bewegungen senkrecht oder schräg zur Drehachse ausführen können und dann entsprechend nicht gekrümmt sein müssen.
Um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu erzeugen, ist in dem Gehäuse 12 weiterhin ein Kurvenglied 42 angeordnet.
Das Kurvenglied 42 ist als sich vollumfänglich um die Drehachse 14 erstreckender und in Umfangsrichtung geschlossener Ring ausgebildet, und befindet sich in Bezug auf die Kolben 22 bis 28 von der Drehachse 14 aus gesehen radial außerhalb der Kolben 22 bis 28 und etwa mittig zwischen den stirnseitigen Gehäusesegmenten 16 und 18 bzw. etwa mittig in dem Gehäuse 12.
Das Kurvenglied 42 ist um die Drehachse 14 mittels zweier Ringlager 44, 46 rotierbar in dem Gehäuse 12 gelagert.
Das Kurvenglied 42 kann somit um die als geometrische Achse zu verstehende Drehachse 14 in dem Gehäuse 12 rotieren, wobei die Rotation des Kurvenglieds 42 dazu dient, die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu erzeugen.
Dazu weist das Kurvenglied 42 eine erste Steuerkurve 48 und eine zweite Steuerkurve 50 auf, wobei die beiden Steuerkurven 48, 50 in Bezug auf die Drehachse axial nebeneinander angeordnet sind und sich jeweils um die Drehachse 14 vollumfänglich erstrecken.
Mit der Steuerkurve 48 steht ein Führungsglied 52, das mit dem ersten Kolben 22 verbunden ist, sowie ein Führungsglied 54, das mit dem zweiten Kolben 24 verbunden ist, in Eingriff. Mit der Steuerkurve 50 steht ein Führungsglied 56, das mit dem dritten Kolben 26 verbunden ist, und ein Führungsglied 58, das mit dem vierten Kolben 28 verbunden ist, in Eingriff.
Die Führungsglieder 52 bis 58 sind als Laufrollen ausgebildet und auf der den jeweiligen Endflächen 30 bis 36 abgewandten Rückseite der Kolben 22 bis 28 angeordnet.
Wie in Fig. 2 beispielhaft für das Führungsglied 52 dargestellt ist, ist dieses über einen Achszapfen 60, der mit dem Kolben 22 fest verbunden ist, an dem Kolben 22 drehbar gelagert.
Die Führungsglieder 52 bis 58 können anstelle durch Laufrollen wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch durch in Kugelpfannen in den Kolben 22 bis 28 gelagerte Kugeln, oder durch Gleitschuhe oder durch anders geformte Laufrollen gebildet sein.
Die Kolben 22 bis 28 sind ferner in einem Kolbenkäfig 62 gleitend gelagert, der bezüglich der Drehachse 14 in dem Gehäuse 12 feststeht, mit dem Gehäuse 12 also drehfest verbunden ist.
Der Kolbenkäfig 62 weist für den ersten Kolben 22 und den zweiten Kolben 24 eine hier kreisförmige Bohrung 64 auf, sowie für den dritten Kolben 26 und den vierten Kolben 28 eine ebenfalls kreisförmige Bohrung 66, so dass die Kolben 22 und 24 in der Bohrung 64 und die Kolben 26 und 28 in der Bohrung 66 gleitend gelagert sind. Die Kolben 22 bis 28, die im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig sind, können somit über kreisförmige Dichtungen (beispielsweise Dichtungen 68 des Kolbens 22 in Fig. 3) abgedichtet in den Bohrungen 64 bzw. 66 gleiten, so dass die Arbeitskammern 38 und 40 abgedichtet sind. Die Umfangswände der Bohrungen 64 und 66 begrenzen dabei zusammen mit den Endflächen 30, 32 bzw. 34, 36 die Arbeitskammern 38 bzw. 40, so dass die Arbeitskammern 38 bzw. 40 im Wesentlichen die Form eines Zylinders aufweisen.
Beim Rotieren des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 laufen die Steuerkurven 48 und 50 an den Führungsgliedern 52 bis 58 entlang, und entsprechend der Konturierung der Steuerkurven 48 und 50, die in Bezug auf die Drehachse 14 aus "Bergen" und "Tälern" bestehen, werden die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 erzeugt.
Jeder der Kolben 22 bis 28 führt seine hin- und hergehenden Bewegungen zwischen zwei Endstellungen aus, wobei die Bewegung der Kolben 22 bis 28 dabei stets in der gleichen Bewegungsebene stattfindet, die für die vier Kolben 22 bis 28 in Fig. 2 bis 4 die Zeichenebene ist. Die Kolben 22 bis 28 laufen also nicht wie bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen um die Drehachse 14 um. Die Kolben 22 bis 28 befinden sich dagegen stets in einer im Wesentlichen mittigen Ebene im Gehäuse 12.
Der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 führen dabei zueinander gegensinnige Bewegungen aus, und der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben 28 führen ebenfalls zueinander gegensinnige Bewegungen aus. Demgegenüber sind die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten Kolbens 22 zu denjenigen des dritten Kolbens 26 gleichgerichtet, und die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten Kolbens 24 sind mit denjenigen des vierten Kolbens 28 gleichgerichtet. Dies bewirkt, dass sich die Arbeitskammern 38 und 40 nicht gleichsinnig vergrößern und verkleinern, sondern während sich die Arbeitskammer 38 im Volumen verkleinert, vergrößert sich die Arbeitskammer 40, und umgekehrt.
In Fig. 2 sind der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 in ihrer Endstellung dargestellt, die als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet wird, in der sich die Kolben 22 und 24 maximal aufeinander zu bewegt haben und die Arbeitskammer 38 entsprechend ein minimales Volumen aufweist.
Gleichzeitig befinden sich die Kolben 26 und 28 in einer Endstellung, die als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet wird, in der die Kolben 26 und 28 maximal voneinander beabstandet sind und die Arbeitskammer 40 entsprechend maximales Volumen besitzt.
Fig. 3 zeigt eine Zwischenstellung der Kolben 22 und 24 bzw. 26 und 28, bei der sich die Kolben 22 bis 28 aus ihrer jeweiligen Endstellung in Fig. 2 um jeweils die Hälfte in Richtung zur anderen Endstellung bewegt haben. Dem Übergang von Fig. 2 zu Fig. 3 liegt eine 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 zugrunde.
Fig. 4 zeigt nach einer weiteren 90°-Drehung ausgehend von Fig. 3 die zu Fig. 2 umgekehrte Situation, in der die Kolben 22 und 24 ihre UT-Stellung erreicht haben, während die Kolben 26 und 28 ihre OT-Stellung erreicht haben.
In Fig. 6 ist die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die gleichzeitige UT-Stellung der Kolben 26 und 28 zusammen mit der zugehörigen Drehstellung des Kurvenglieds 42 perspektivisch dargestellt, und in Fig. 7 der umgekehrte Fall, d.h. die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die UT-Stellung der Kolben 26 und 28.
Der erste Kolben 22 und der dritte Kolben 26 sind auf ihren den Endflächen 30 und 34 abgewandten Rückseiten miteinander verbunden, und zwar vorzugsweise elastisch beispielsweise über eine Zugfeder 68, und der zweite Kolben 24 und der vierte Kolben 28 sind entsprechend ebenfalls vorzugsweise elastisch miteinander verbunden, und zwar beispielsweise über eine Zugfeder 70. Die Verbindung zwischen dem ersten Kolben 22 und dem dritten Kolben 26 und die Verbindung zwischen dem zweiten Kolben 24 und dem vierten Kolben 28 bewirkt einen gegenseitigen Schlepp- oder Mitnahmeeffekt zwischen dem ersten Kolben 22 und dem dritten Kolben 26 bzw. zwischen dem zweiten Kolben 24 und dem vierten Kolben 28, wodurch die Führungsorgane 52 bis 58 sicher in Kontakt mit der Steuerkurve 48 bzw. 50 des Kurvengliedes 42 gehalten werden. Die elastische Verbindung zwischen den Kolben 22 und 26 bzw. 24 und 28 erlaubt ein geringfügiges elastisches Abstandsspiel zwischen diesen Kolben.
Um die Rotation des Kurvenglieds 42 im Betrieb der Kolbenmaschine 10 als Antriebskraft zu nutzen, steht das Kurvenglied 42 mit einer Welle 72 (Fig. 1) in Wirkverbindung. In Fig. 2 bis 4 sind Endabschnitte 74, 76 der Welle 72 dargestellt, an die beispielsweise der Antriebsstrang eines Fahrzeugs oder Aggregate angeschlossen werden können.
Das Kurvenglied 42 weist gemäß Fig. 6 und 7 außenseitig eine Schneckenverzahnung 78 auf, und die Welle 72 weist eine entsprechende Außenverzahnung auf, die mit der Schneckenverzahnung 78 des Kurvenglieds 42 kämmt, derart, dass beim Rotieren des Kurvengliedes 42 um die Drehachse 14 die Welle 72 in Rotation um ihre Längsmittelachse versetzt wird. Die Welle 72 erstreckt sich in dieser besonders einfachen Ausgestaltung, die zur Drehübertragung zwischen dem Kurvenglied 42 und der Welle 72 nur eine Verzahnung an diesen beiden Teilen und keine weiteren Teile eines Getriebes erfordert, senkrecht zur Drehachse 14.
Nachfolgend werden weitere Aspekte der Kolbenmaschine 10 beschrieben.
Der ersten Arbeitskammer 38 sind ein Gaseinlass 80 und ein Gasauslass 82 zugeordnet, wobei der Gaseinlass 80 und der Gasauslass 82 in unmittelbarer Nähe zur Drehachse 14 in dem stirnseitigen Gehäusesegment 16 angeordnet sind.
Der Arbeitskammer 40 ist in entsprechender Weise ein Gaseinlass 84 und ein Gasauslass 86 in dem Gehäusesegment 86 zugeordnet.
In dem Gaseinlass 80 ist ferner eine Kraftstoffzuführvorrichtung 88 und in dem Gaseinlass 84 eine Kraftstoffzuführvorrichtung 90 angeordnet.
Durch den Gaseinlass 80 kann somit ein Gemisch aus Frischluft und Kraftstoff, der über die Kraftstoffzuführeinrichtung 88, beispielsweise eine Einspritzdüse, zugeführt wird, in die Arbeitskammer 38 eingeleitet werden. Während das Einleiten von Frischluft in der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 beginnt, die sich anschließend in die UT-Stellung bewegen, kann der Kraftstoff auch erst kurz vor dem Erreichen der UT-Stellung eingespritzt werden. Die Kolben bewegen sich anschließend wieder in die OT-Stellung, wobei dann das Gemisch verdichtet wird. In der neuerlichen OT-Stellung der Kolben 22, 24 kann dann das Gemisch mittels einer Zündvorrichtung 92, beispielsweise einer Zündkerze, gezündet werden, woraufhin die Kolben 22 und 24 explosionsartig auseinander bewegt werden, d.h. der Arbeitstakt des Expandierens stattfindet. Nachdem die Kolben 22 und 24 erneut die OT-Stellung erreicht haben, wird dann beim Zurückbewegen der Kolben 22 und 24 in die UT-Stellung das verbrannte Gemisch über den Gasauslass 82 ausgestoßen, wie dies bei einem Viertakter bekannt ist.
Eine entsprechende Zündvorrichtung 94 ist für die Arbeitskammer 40 vorgesehen.
Zum Freigeben und Verschließen des Gaseinlasses 80 und des Gasauslasses 82 ist ein Drehschieber 96 in dem Gehäuse 12 angeordnet, und zum Verschließen des Gaseinlasses 84 und des Gasauslasses 86 ist ein Drehschieber 98 in dem Gehäuse 12 angeordnet.
Die beiden Drehschieber 96 und 98 besitzen jeweils nur eine umfänglich um die Drehachse 14 begrenzte Öffnung, wobei in Fig. 1 die eine Öffnung 100 des Drehschiebers 98 zu sehen ist.
Beide Drehschieber 96 und 98 sind um die Drehachse 14 rotierbar in dem Gehäuse 12 gelagert, wobei die Drehschieber 96 und 98 mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied 42 um die Drehachse 14 rotieren.
Die Rotation der Drehschieber 96 und 98 wird dabei aus der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet, das mit den Drehschiebern 96 und 98 über ein Getriebe 102 verbunden ist, das die Drehzahl des Kurvenglieds 42 1:1 in die Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 überträgt.
Das Getriebe 102 weist eine Welle 104 auf, die über ein Zahnrad 106 mit der Außenverzahnung 78 des Kurvenglieds 42 kämmt, um die Welle 104 in Rotation um ihre Längsachse zu versetzen, wobei die Welle 104 endseitig Zahnräder 108, 110 trägt, die mit Zahnrädern 112, 114 kämmen, die wiederum mit einer Außenverzahnung an den Drehschiebern 96, 98 kämmen.
Dadurch, dass die Rotation der Drehschieber 96, 98 aus der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet wird, wird eine optimale Synchronisation der Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 mit der Drehzahl des Kurvenglieds 42 erreicht, und somit die Freigabe der Gaseinlässe 80, 84 und der Gasauslässe 82, 86 zum jeweils richtigen Zeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl des Kurvenglieds 42.
Mit Bezug auf Fig. 8 wird nachfolgend die Arbeitsweise der Kolbenmaschine 10 näher beschrieben.
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und damit einhergehend die UT-Stellung der Kolben 26 und 28. Die Arbeitskammer 38 hat also minimales Volumen, und die Arbeitskammer 40 maximales Volumen.
Wurde in der Arbeitskammer 38 zuvor ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet, kann es ausgehend von der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 in der Arbeitskammer 38 gezündet werden, wie durch einen Zündfunken in Fig. 8 angedeutet ist. Nach einer 90°-Umdrehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 haben sich die Kolben 22 und 24 dann von der OT-Stellung in die UT-Stellung bewegt, und es hat der Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) stattgefunden.
In die Arbeitskammer 40 wurde bei entsprechender Stellung des Drehschiebers 98 gemäß Fig. 1 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingelassen, und während der zuvor beschriebenen 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 bewegen sich die Kolben 26 und 28 aus der UT-Stellung in die OT-Stellung, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Arbeitskammer 40 verdichtet wird.
Bei einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 nun nachfolgend der Arbeitstakt des Ausstoßens des verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches statt, während in der Arbeitskammer 40 gleichzeitig der Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) nach Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der OT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.
Während einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft-Gemisches statt, und in der Arbeitskammer 40 der Arbeitstakt des Ausstoßens des verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der UT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der OT-Stellung.
Während einer weiteren Drehung des Kurvenglieds 42 um 90° um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der Arbeitstakt des Verdichtens und in der Arbeitskammer 40 der Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft-Gemisches statt. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der OT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.
Während einer vollen Umdrehung des Kurvenglieds 42 um 360° um die Drehachse 14 finden somit in beiden Arbeitskammern 38 und 40 die vier Arbeitstakte des Arbeitens, Ausstoßens, Ansaugens, Verdichtens statt, wobei die Arbeitstakte in der Arbeitskammer 38 um 90° phasenverschoben sind.
Schaltet man nun zwei Kolbenmaschinen 10 parallel zusammen, entsteht eine Kolbenmaschine mit insgesamt vier Arbeitskammern, und wählt man die Anordnung so, dass in den beiden Arbeitskammern der zweiten Kolbenmaschine die Arbeitstakte sowohl untereinander als auch in Bezug auf die Arbeitstakte in den Arbeitskammern 38 und 40 der ersten Kolbenmaschine 10 um jeweils 90° zueinander phasenverschoben sind, lässt sich insgesamt eine Kolbenmaschine realisieren, in der bei jeder Umdrehung der dann zwei Kurvenglieder um 90° ein Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) stattfindet, so dass auf diese Weise eine lückenlose Abfolge von vier Takten des Arbeitens (Expandierens) bei einer Umdrehung um 360° wie bei einem 8-Zylinder-Motor stattfindet.

Claims

Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest ein erster Kolben (22) angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen hin- und herbeweglich ist, um eine an eine erste Endfläche (30) des zumindest einen ersten Kolbens (22) angrenzende Arbeitskammer (38) periodisch zu vergrößern und zu verkleinern, wobei der zumindest eine erste Kolben (22) zumindest ein Führungsglied (52) aufweist, das mit einer an einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Kurvenglied (42) ausgebildeten Steuerkurve (48) in Eingriff steht, wobei sich das Kurvenglied (42) in dem Gehäuse (12) konzentrisch und vollumfänglich um eine gehäusefeste Drehachse (14) herum erstreckt und bezüglich der Drehachse (14) radial außerhalb des Kolbens (22) angeordnet ist, wobei dem zumindest einen ersten Kolben (22) ein zweiter Kolben (24) gegenübersteht, der zu dem ersten Kolben (22) gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei der zweite Kolben (24) eine zweite Endfläche (32) aufweist, die der ersten Endfläche (30) des ersten Kolbens (22) zugewandt ist und sich die Arbeitskammer (38) zwischen den Endflächen (30, 32) befindet, wobei das Kurvenglied (42) um die Drehachse (14) rotierbar in dem Gehäuse (12) gelagert ist, während der zumindest eine erste Kolben (22) und der zweite Kolben (24) nicht um die Drehachse (14) drehbar sind, so dass der zumindest eine erste Kolben (22) und der zweite Kolben (24) beim Rotieren des Kurvengliedes (42) um die Drehachse (14) hin- und hergehende Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse (14) festen Bewegungsebene ausführen, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (12) in Bezug auf die Drehachse (14) stirnseitig ein Gaseinlass (80) und ein Gasauslass (82) vorhanden sind, wobei der Gaseinlass (80) und der Gasauslass (82) mittels eines Drehschiebers (96), der eine Öffnung aufweist, freigegeben und verschlossen wird, der um die Drehachse (14) mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied (42) rotiert.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (24) ein Führungsglied (54) aufweist, das mit der Steuerkurve (48) des Kurvenglieds (42) in Eingriff steht.
Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (14) mittig durch die Arbeitskammer (38) verläuft.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Kolben (22) in einem Kolbenkäfig (62) gleitend gelagert ist, der bezüglich des Gehäuses (12) feststehend ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kurvenglied (42) eine Welle (72) in Wirkverbindung steht, derart, dass die Rotation des Kurvengliedes (42) in eine Rotation der Welle (72) umgesetzt wird.
Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (72) über eine Schneckenverzahnung (78) mit dem Kurvenglied (42) verbunden ist.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Drehschiebers (96) aus der Rotation des Kurvengliedes (42) über ein Getriebe (102) mit einer Übersetzung der Drehzahl von 1:1 abgeleitet wird.
Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt vier Kolben (22, 24, 26, 28) in dem Gehäuse (12) angeordnet sind, von denen der erste und ein zweiter Kolben (22, 24) ein erstes Kolbenpaar und ein dritter und ein vierter Kolben (26, 28) ein zweites Kolbenpaar bilden, wobei das zweite Kolbenpaar eine zweite Arbeitskammer (40) definiert, die mit der durch das erste Kolbenpaar definierten Arbeitskammer (38) in einer Ebene liegt, und dass die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten und dritten Kolbens (22, 26) gleichgerichtet und die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten und vierten Kolbens (24, 28) gleichgerichtet sind.
Kolbenmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte und vierte Kolben (26, 28) jeweils ein Führungsglied (56, 58) aufweisen, wobei die beiden Führungsglieder (56, 58) in eine weitere Steuerkurve (58) des Kurvengliedes (42) eingreifen.
Kolbenmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (22) und der dritte Kolben (26) auf ihrer einander zugewandten Seite miteinander verbunden sind, und der zweite Kolben (24) und der vierte Kolben (28) auf ihrer einander zugewandten Seite miteinander verbunden sind.