EP3015643A1

EP3015643A1 - Kreiskolbenmaschine

Info

Publication number: EP3015643A1
Application number: EP14192011.6A
Authority: EP
Inventors: Michael Krane
Original assignee: Krane Michael
Current assignee: Krane Michael
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: EP3015643B1

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Kreiskolbenmaschine in der mindestens zwei Paare von diametral entgegensetzt angeordneten Kolben um eine Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen der Kolbenpaare kollinear verlaufen und mit einer die Kolbenpaare koppelnden Koppeleinrichtung verbunden sind mittels derer die Kolbenpaare bei einer Kreisbewegung eine überlagerte Relativbewegung zueinander ausführen. Dies wird durch zwei gekröpfte Koppelstücke erreicht die die Hohlwelle und die Innenwelle mit einer weiteren Welle koppeln. Durch die Lage dieser An- oder Abtriebswelle bzw. Regelwelle können sowohl das Verdichtungsverhältnis als auch die Steuerzeiten während des Betriebs verändert werden. Dichtbare Arbeitskammern werden durch einen Ring-Raum, zwei Kolben und je einem mitgeführten Dichtelement erzeugt. Dabei werden die Dichtelemente auf Führungsbahnen bewegt die neben der Ringraumfläche umlaufen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kreiskolbenmaschine in der mindestens zwei Paare von diametral entgegensetzt angeordneten Kolben um eine Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen der Kolbenpaare kollinear verlaufen und mit einer die Kolbenpaare koppelnden Koppeleinrichtung verbunden sind mittels derer die Kolbenpaare bei einer Kreisbewegung eine überlagerte Relativbewegung zueinander ausführen.
Vorrichtungen dieser Art sind aus den Patenten WO001997010419 , US000003337123 und EP00000918138 bekannt. Sie haben alle keine dichtbaren und damit nutzbaren Arbeitsräume. Weiterhin weisen sie eine aufwendige Gelenkkonstruktion mit schwachen inneren Gelenken oder labilen Gelenkarmen auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass zur Anpassung der Verdichtung der Winkel zwischen Motorachse und Abtriebswelle verstellt werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die Gelenke zu verbessern, den Arbeitsraum dichtbar zu gestalten, die Effektivität zu vergrößern und einen variablen Einsatz der Maschine zu gewährleisten.
Zur Lösung der Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass eine Gelenkanordnung zur Kopplung der Innenwelle und der Hohlwelle mit einer weiteren Welle verschachtelt worden ist. Dies wird durch zwei gekröpfte Koppelstücke erreicht, die ineinandergreifen.
Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Gelenke beider Wellen identisch sind, dass sie das gleiche hohe Moment aufnehmen können und der Aufbau einfach ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird ein dichtbarer Arbeitsraum durch einen Ring-Raum, zwei Kolben mit Ringen und einem mitgeführten Dichtelement erzeugt. Das Dichtelement dichtet den Spalt des Ringraumes ab, durch den die Kolben über Verbindungselemente mit den Wellen verbunden sind. In diesem Fall sind vier Arbeitsräume mit vier Dichtelementen in dem Ring Raum vorhanden.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung werden das Verdichtungsverhältnis und die Steuerzeiten über die Lage einer Regelwelle angepasst. Der Vorteil ist, dass die Maschine und die An- bzw. Abtriebswelle eine fixe Lage zueinander behalten. Die Regelwelle wird nur zur Regelung und nicht zur Momentübertragung genutzt.
Die erfindungsgemäße Kreiskolbenmaschine hat einen einfachen Aufbau und kann als Motor, Kompressor oder Pumpe eingesetzt werden.
Je nach Einsatzart sind Ein- und Auslasskanäle unterschiedlich angeordnet. Sie weist einen kalten Einlasskanal auf und ist als Motor auch für den Betrieb mit Wasserstoff geeignet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Figur 1a: die Maschine isometrisch in "Regelwellenausführung",
Figur 1b: die Maschine von der Seite in "Regelwellenausführung",
Figur 1c: die Maschine isometrisch mit 45° gedrehter Arbeitswelle in "Regelwellenausführung",
Figur 1d: die Maschine von der Seite mit 45° gedrehter Arbeitswelle in "Regelwellenausführung",
Figur 2a: die Maschine von vorne mit der Arbeitswelle ohne Gehäuse,
Figur 2b: die Maschine von hinten mit der Regelwelle ohne Gehäuse,
Figur 2c: den Schnitt A-A der Maschine ohne Gehäuse,
Figur 2d: den Schnitt C-C der Maschine ohne Gehäuse,
Figur 3a: die Maschine von vorne,
Figur 3b: den Schnitt D-D durch den Ring-Raum, den Kolben und das Dichtelement,
Figur 3c: das Detail E eines Arbeitsraumes mit den Dichtelementen,
Figur 4a: das Beispiel einer Regelwelle mit Gelenken,
Figur 4b: das Beispiel eines Koppelstücks mit Gelenkaufnahmen,
Figur 4c: das Beispiel eines Dichtelementes mit Führungsbahnen,
Figur 4d: das Beispiel eines Verbindungselementes,
Figur 5: die Arbeitsweise der Vorrichtung, die Kolbenpaare in verschiedenen Stellungen mit den dazugehörigen Arbeitsraumgrößen für eine Umdrehung,
Figur 6a: die Maschine von vorne in einer alternativen Ausführung mit kombinierter Arbeits- und Regelwelle,
Figur 6b: den Vertikalschnitt E-E durch diese Maschine,
Figur 6c: den Horizontalschnitt F-F durch diese Maschine.

Die Kreiskolbenmaschine weist ein erstes Paar 1 von Kolben und ein zweites Paar 2 von Kolben auf, wobei die Kolben eines jeden Paares diametral entgegengesetzt um eine Drehachse D drehbar gelagert sind. Das erste Kolbenpaar 1 und das zweite Kolbenpaar 2 sind kollinear bzw. koaxial zueinander angeordnet. Die Kolben der Kolbenpaare 1 bzw. 2 sind im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig und in einem Kreis angeordnet, wobei die Stirnseiten der jeweiligen Kolben einen spitzen Winkelbereich mit einem Winkel γ von 50° bis 80° einschließen, vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 65° und 75°. Die Kolben der Kolbenpaare 1 und 2 sind jeweils gleich ausgebildet.
Die Kolben der Kolbenpaare 1 und 2 sind in einem kreisringförmigen Raum 5 angeordnet und erstrecken sich somit kreisringausschnittförmig um die Drehachse D. Dieser Ring-Raum 5 wird vorzugsweise von zwei scheibenförmigen Gehäusen 7.1 und 7.2 gebildet. Die Kolben der jeweiligen Kolbenpaare 1 und 2 sind jeweils über Verbindungselemente 1.1 bzw. 2.1 miteinander gekoppelt. Das erste Kolbenpaar 1 ist über das erste Verbindungselement 1.1 mit einer Innenwelle 1.2 und das zweite Kolbenpaar 2 über das zweite Verbindungselement 2.1 mit einer Hohlwelle 2.2 verbunden. Die Innenwelle 1.2 ist drehbar in der Hohlwelle 2.2 gelagert.
Dieses erste Verbindungselement 1.1 und das zweite Verbindungselement 2.1 erstrecken sich im Wesentlichen in einem zentralen Kreisraum 5.3, der sich zwischen dem Ring Raum 5 und der Drehachse D in Umfangsrichtung erstreckt.
Damit die Kolbenpaare 1 und 2 eine überlagerte Relativbewegung während der Kreisbewegung ausführen können, sind sie über eine Koppeleinrichtung mit einer weiteren Welle 4.1 oder 4 verbunden. Die Koppeleinrichtung besteht aus den Koppelstücken 1.3 und 2.3 mit den dazugehörigen Gelenken. Die äußeren Gelenke 1.4 und 2.4 der Koppelstücke 1.3 und 2.3 werden mit den Gabeln der Innenwelle 1.2 und der Hohlwelle 2.2 verbunden. Die inneren Gelenke 1.5 und 2.5 der Koppelstücke werden mit den im Kreuz angeordneten Gelenken der Regelwelle 4.1 bzw. An- oder Abtriebswelle 4 verbunden. Kinematisch weist die Gelenkanordnung das Verhalten von Kreuzgelenken auf und es wird die von einem nicht kompensierten Gelenk bekannte, vom Beugungswinkel abhängige, zyklische Drehphasenverschiebung genutzt.
Diese Gelenke weisen in gebeugtem Zustand und bei einer gleichförmigen Rotationsbewegung auf der einen Seite (Welle 4 bzw. 4.1) eine ungleichförmige Rotationsbewegung auf der anderen Seite auf (Wellen 1.2 und 2.2). Je Umdrehung gibt es auf der ungleichförmig laufenden Seite zwei voreilende Phasen, zwei nacheilende Phasen und vier Punkte, auf denen die Übertragung synchron abläuft.
Bei einem Einsatz als Verbrennungsmotor können in der gezeigten Version je Umdrehung vier Arbeitstakte genutzt werden. Je Umdrehung durchläuft jede Arbeitskammer die Zustände Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Ausstoßen. Durch die Veränderung des Beugungswinkels α zwischen der Motorachse D und der An- bzw. Abtriebswelle 4 oder Regelwelle 4.1 wird die Drehphasenverschiebung und damit das Verdichtungsverhältnis geändert. Durch eine Veränderung des Winkels β, Bewegen der Regelwelle 4.1 in oder gegen die Motorumlaufrichtung, werden der Beginn der Drehphasenverschiebung und damit die Steuerzeiten geändert. Diese Regelungen können während des Betriebs der Maschine erfolgen.
In diesem Beispiel sind die Gelenke 1.5 und 2.5 der gleichmäßig umlaufenden Gelenkseite in Umlaufrichtung um 90° verdreht angeordnet, sodass jeweils ein Kolbenpaar voreilt während das andere nacheilt. Der Gelenkbeugungswinkel α beträgt ca. 37°. Bei diesem Beugungswinkel laufen die Kolben um ca. 27° aufeinander zu (Winkel δ).
Dieses Verhalten mit den dazugehörigen Kolbenstellungen wird für eine Maschinenumdrehung in Figur 5 dargestellt.
Damit die Maschine in "Regelwellenausführung" eine gleichförmige Ab- bzw. Eingangsdrehzahl aufweist, wird die Welle 4 durch ein kompensierendes Kreuzgelenk mit den Gelenken 4.2 angekoppelt.
Als Beugungswinkel ist hier ein fixer Winkel vorgesehen, der dem Mittelwert des Regelwellenbeugungswinkels α entspricht.
In dem Ring-Raum 5 befinden sich zwischen den Kolben 1 und 2 die Arbeitskammern 5.2. Um die Wärmeverluste gering zu halten und um einfach dichten zu können, ist der Querschnitt des Ring-Raumes 5 vorzugsweise rund, sodass er einen nach innen offenen Torus bildet. Die nach innen gerichtete Torus Öffnung wird jeweils im Bereich der Arbeitskammern 5.2 durch Dichtelemente 3 verschlossen. Diese Dichtelemente 3 laufen mit den Kolben um und werden über die Verbindungselemente 1.1 und 2.1 mitgenommen. Geführt werden sie auf Gleit- bzw. Dichtbahnen 5.1, die parallel zur Torus Fläche umlaufen. Während der Relativbewegung der Kolben untereinander schieben sich die Dichtelemente jeweils unter den vorlaufenden Kolben.
Es versteht sich, dass die vorgenannten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Verwendung finden können. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Claims

Kreiskolbenmaschine, in der mindestens zwei Paare (1, 2) von diametral entgegensetzt angeordneten Kolben um eine Drehachse (D) drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen (D) der Kolbenpaare (1, 2) kollinear verlaufen und mit einer die Kolbenpaare (1, 2) koppelnden Koppeleinrichtung verbunden sind, mittels derer die Kolbenpaare (1, 2) bei einer Kreisbewegung eine überlagerte Relativbewegung zueinander ausführen, dadurch gekennzeichnet, dass die Koppeleinrichtung zwei gekröpfte Koppelstücke (1.3 und 2.3) aufweist, sodass jeweils die mit einem Kolbenpaar (1, 2) drehfest verbundene Welle (1.2, 2.2) über mindestens vier Gelenke (1.4, 1.5, 2.4, 2.5) mit einer weiteren Welle (4, 4.1) verbunden ist.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenpaar (2) über ein in einem zentralen Kreisraum (5.3) vorhandenes Verbindungselement (2.1) mit einer Hohlwelle (2.2) verbunden ist und dass das andere Kolbenpaar (1) über ein in dem zentralen Kreisraum (5.3) überlappend zu dem ersten Verbindungselement (2.1) vorhandenes zweite Verbindungselement (1.1) mit einer Innenwelle (1.2) drehfest verbunden ist, wobei die Innenwelle (1.2) drehbar in der Hohlwelle (2.2) gelagert ist.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Verbindungselement (1.1) und das zweite Verbindungselement (2.1) ein Eintauchen der Dichtelemente (3) zulassen.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtungsverhältnis der Maschine durch eine Änderung des Gelenkbeugungswinkels (α) während des Betriebs einstellbar ist.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerzeiten für denBeginn und das Ende der Versorgungskanalöffnung relativ zum Arbeitskammervolumen durch eine Änderung des Regelwellenwinkels (β) während des Betriebs möglich ist.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Abtriebswelle (4) bei einer Maschinenregelung über die Regelwelle 4.1 eine fixe Lage zur Maschine behält und eine gleichförmige Drehzahl aufweist.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den vier Kolben der Kolbenpaare (1, 2) vier Arbeitskammern (5.2) gebildet werden, sodass bei einer Umdrehung der Abtriebswelle (4) vier Arbeitstakte stattfinden können.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arbeitskammer (5.2) ein Dichtelement (3) zugeordnet ist.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtelemente (3) über die Verbindungselemente (1.1, 2.1) oder die Kolben (1, 2) mitgenommen werden.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, das die Dichtelemente (3) auf Dicht- bzw. Führungsbahnen (5.1), die parallel zum Ring-Raum (5) umlaufen, geführt werden.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-10 dadurch gekennzeichnet, die Kolben von den Verbindungselementen (1.1, 2.1) gehalten werden und keine Führung durch den Ring-Raum (5) benötigen.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-11 dadurch gekennzeichnet, die Kolben von den Verbindungselementen (1.1, 2.1) in Umlaufrichtung mitgenommen werden und von dem Ring-Raum (5) geführt werden.
Kreiskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1-12 dadurch gekennzeichnet, die Kolben teilweise von den Verbindungselementen und teilweise von dem Ring-Raum (5) geführt werden.
Kreiskolbenmaschine, in der mindestens zwei Paare von diametral entgegensetzt angeordneten Kolben um eine Drehachse drehbar gelagert sind, wobei die Drehachsen der Kolbenpaare kollinear verlaufen und mit einer die Kolbenpaare koppelnden Koppeleinrichtung verbunden sind mittels derer die Kolbenpaare bei einer Kreisbewegung eine überlagerte Relativbewegung zueinander ausführen, insbesondere nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammern (5.2) einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen und die Kolben (1, 2) nach einem Torus-Segment ausgebildet sind.
Kreiskolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammern (5,2) und die Kolben der Kolbenpaare (1, 2) im Querschnitt kreisförmig, ellipsoidförmig oder aus Kurven zusammengesetzt ausgebildet sind.