WO2006084649A1 - Schwenkkolbenmaschine sowie schwenkkolbenmaschinenanordnung - Google Patents

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WO2006084649A1
WO2006084649A1 PCT/EP2006/001018 EP2006001018W WO2006084649A1 WO 2006084649 A1 WO2006084649 A1 WO 2006084649A1 EP 2006001018 W EP2006001018 W EP 2006001018W WO 2006084649 A1 WO2006084649 A1 WO 2006084649A1
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piston
shaft
housing
oscillating
piston engine
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PCT/EP2006/001018
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English (en)
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Inventor
Herbert Hüttlin
Original Assignee
Huettlin Herbert
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C11/00—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type
    • F01C11/002—Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C9/00—Oscillating-piston machines or engines
    • F01C9/005—Oscillating-piston machines or engines the piston oscillating in the space, e.g. around a fixed point

Definitions

  • the invention relates to a rotary piston machine, comprising a housing having a spherical housing inner wall, with at least one piston arranged in the housing, which is pivotable about an axis passing through the housing center pivot axis, wherein the at least one piston with a also passing through the housing center axis of rotation rotatable shaft is operatively connected in such a way that at least one piston rotates reciprocating movements with rotating shaft, and wherein an at least first radially extending to the housing inner surface on a front side of the at least one piston defines at least a first working chamber, wherein on a back the at least one piston is arranged with a rotatably connected to the shaft, arranged outside the housing center rotor element, wherein the back of the at least one piston defines at least one circular, not radially directed tread along which the rotors When rotating shaft rotates and forms with the rotation axis at an angle of ⁇ 90 °, wherein in the housing a second piston is arranged, which is pivotable about the
  • the invention further relates to a S ⁇ hwenkkolbenmaschinenanord- tion, which has a plurality of oscillating piston machines of the type mentioned.
  • a rotary piston machine of the type mentioned is known from the document DE 34 08 560 Al.
  • Oscillating piston engines and in particular a rotary piston engine according to the present invention can be used as internal combustion engines (internal combustion engines), as pumps or as compressors.
  • An oscillating piston engine according to the present invention is preferably used as an internal combustion engine and described as such in the present specification.
  • Both working chambers which are arranged diametrically opposite each other with respect to the housing center, increase and decrease in the same direction in the reciprocating pivotal movement of the piston.
  • the pivotal movement of the pistons of this known oscillating piston engine is mediated by arranged on the piston guide members from the orbital motion of the piston about the axis of rotation, which are guided in one or more grooves formed as a control cam in the housing.
  • the known oscillating-piston engine has a substantially spherical piston from which a spherical-wedge-shaped segment has been cut out.
  • the spherical piston is surrounded by a likewise spherical rotor, wherein the piston is rotatably connected to the surrounding rotor by a partition which passes through the working chamber formed by the ball-wedge-shaped cutout.
  • a disadvantage of this construction is the nature of the drive of the pivoting movements of the ball piston, which is mediated by two inclined axes of rotation. This requires a high-precision alignment of the axes of rotation, so that they intersect exactly in the center of the housing, otherwise the function of the machine is not guaranteed.
  • the volume formed by the ball wedge-shaped cutout in the ball piston, a working chamber in volume is relatively small and flat. The maximum opening angle of the working chamber is less than 45 ° in this construction.
  • two pistons are arranged in the spherical housing, which have the shape of a circular ring section.
  • the two pistons are connected by a rod with a swash plate, which are arranged on the middle of the housing and with the shaft, which can rotate about the axis of rotation, is firmly connected.
  • the swash plate is arranged obliquely with respect to the axis of rotation.
  • This oscillating-piston engine has the disadvantage that the housing-side drive of the pistons by means of the swash plate in the housing requires a large space, which is at the expense of large working chambers.
  • the Häka ⁇ unern defined by the two pistons are formed on front sides of the two pistons and also have the shape of a circular ring segment. Both the stroke of the pistons and the volume of the working chambers are relatively low. When using such a reciprocating piston engine as an internal combustion engine, the achievable degree of compression is rather low.
  • a spherical motor which comprises two wobble pistons according to a first embodiment in a spherical housing which are rotatably mounted on a common output shaft, wherein the axes of the wobble piston are inclined against the output shaft.
  • the wobble pistons touch each other along a rolling line.
  • the rolling line moves in a clockwise direction.
  • Floating mounted on the output shaft is a ball which carries two approximately trapezoidal partitions which are fixed at its outer end in the hollow sphere.
  • the two oblique side surfaces of the partition walls protrude into recesses of the two wobble pistons, wherein sealing strips effect a seal between the wobble piston and the partition wall.
  • the wobble pistons revolve around the axis of rotation defined by the output shaft in the housing.
  • the spherical motor has only one wobble piston.
  • a further spherical motor which has two spherical-sector-shaped pistons, which are hinged together in the middle of the housing.
  • the two pistons perform a spherical movement in opposite directions.
  • the spherical sector-shaped pistons are fixedly connected to one pin, wherein the two pins are each housed in an obliquely arranged hole, which is directed with the tip to the center of the ball.
  • the pins are arranged on two different oppositely disposed, externally toothed gears, whose axis passes through the center of the ball and are interconnected by gear wheels and rotate in opposite directions.
  • the document DE-AS 23 51 990 describes a rotary piston expansion machine with a stationary housing and a eccentrically mounted in this on an eccentric shaft, movable displacer, which is in operative connection with at least one located between it and the housing elastically deformable pressure cell, via a Stub of a pressure medium can be acted upon periodically.
  • DE 42 42 449 Al discloses a swashplate machine with a hollow spherical working space, which is divided by a partition in at least one high-pressure chamber and a low-pressure chamber into which the working fluid can be fed through a conduit system, wherein the partition extends to a piston carrier and with a plate-shaped sealing strip cooperates, the swash plate machine further comprises a piston which is connected by a stored drive shaft with the AuJ3enraum, wherein the drive shaft is a wobbling movement of the Piston causes, and the piston has at least one radial extending from the circumference to about the piston rod radial slot in which a guide pin is inserted, which cooperates with the partition, and wherein the piston tapers outwardly to the periphery.
  • the document DE-OS 2 161 572 discloses a ball-piston vacuum pump having a ball piston which is moved by an obliquely, eccentrically arranged drive shaft, so that the ball piston performs a tumble-like rotation and the two existing in the ball housing chambers a permanent Imposes volume change.
  • the invention has for its object to improve a rotary piston engine of the type mentioned in that the above-mentioned disadvantages are avoided, that in particular a simple structure with geometrically simple elements with better space utilization for the at least one working chamber is achieved.
  • this object is achieved with respect to the aforementioned reciprocating piston engine in that the second rotor element is rotatably connected to a second shaft which rotates about the same axis of rotation as the first shaft, but in opposite directions to this, and that the two pistons do not rotate about the axis of rotation.
  • the oscillating piston engine according to the invention allows better use of space in the housing for the at least one working chamber and a much larger swing stroke of the at least one piston than the known oscillating piston engine, in which the rotor element is formed on the housing side and radially directed by the rotor element running on the rear side of the piston outside the housing is.
  • the oscillating-piston engine according to the invention in contrast to the known oscillating piston engine, the oscillating-piston engine according to the invention moreover has geometrically simple-shaped parts and prevents the at least one piston in the housing from revolving around the axis of rotation with the shaft. This reduces the wear of the at least one piston and the seals that may be disposed on the piston to seal the working chamber.
  • the at least one rotor element of the oscillating-piston engine according to the invention runs on the rear side of the at least one piston, that is to say the front side delimiting the working chamber, and in this process causes the reciprocating pivoting movement of the at least one piston.
  • a second piston is arranged, which is pivotable about the same pivot axis as the first piston, wherein the pivoting movement of the first and the second piston are in opposite directions.
  • the advantage of this measure is that the respective pivoting stroke of the first and second pistons adds up to a total stroke, which is twice as large as in the case that only one pivotable piston is provided.
  • a larger maximum volume of at least one of the working chambers is created because the strokes of the two pistons add up to a total stroke, and a higher compression ratio can also be achieved, whereby a compression ratio of 20: 1 can be achieved.
  • the oscillating piston engine according to the invention is particularly suitable as a diesel engine.
  • the second piston is associated with a second rotor element, wherein the second rotor element is rotatably connected to a second shaft which rotates about the same axis of rotation as the first shaft, but in opposite directions to this.
  • the provision of a further rotor element for the second piston has the advantage that the moving parts the oscillating piston engine according to the invention can be designed as a whole symmetrically and thus mass-balanced, and that for the second piston, a separate drive is present, so that the second piston is also actively controlled.
  • the rotor element likewise has at least one circular running surface facing the rear side of the at least one piston, which runs on the at least one circular running surface of the at least one piston.
  • This measure has the advantage that the rotor element rests against at least one full annular surface on the back of the piston, whereby a uniform load distribution is achieved at high power transmission on the back of the piston.
  • the at least one running surface on one of the housing inner wall. near the edge of the rear of the at least one piston present.
  • the at least one running surface can be maximally spaced from the axis of rotation, whereby the pivoting movement of the at least one piston takes place with the largest possible torque exerted by the rotor element, whereby, for example, a combustion mixture which has already been admitted into the working chamber with overpressure, can be compacted with high force.
  • the rotor element is mounted on the at least one circular running surface of the at least one piston via a low-friction bearing.
  • the rotor element is directly connected to the shaft.
  • the rotor element is formed essentially in the form of a spherical cap whose curved side faces the housing inner wall, wherein the ball cap is connected to the shaft off-center with respect to its cap pole.
  • the rotor element fits optimally in the ball geometry of the housing of the oscillating piston engine and can be designed to be particularly stable in terms of a high power transmission to the piston.
  • the ball cap On the side facing the housing inner wall and / or the piston side, the ball cap can also have one or more recesses, which can be used in particular as a lubricating and cooling space between the rotor element and the housing inner wall or the piston.
  • the rotor element via a light-running bearing, in particular ball bearings, the centrifugal force side mounted against the housing inner wall.
  • the at least one piston has on its front side a further surface which extends radially to the housing inner wall and encloses an angle of less than 180 ° with the first surface, wherein the further surface delimits a second working chamber which extends from the first Working chamber is disconnected.
  • two working chambers are formed in the housing of the oscillating-piston engine with a piston, which reduce and enlarge in opposite directions to one another during the reciprocating oscillatory movement of the at least one piston.
  • the at least one piston has approximately the shape of a triangle in cross-section to the pivot axis.
  • Such a piston geometry is advantageously simple, so that the at least one piston can be produced in a simple manner in a material-removing process from a solid material.
  • the first and second surfaces of the at least one piston delimiting the two working chambers include, for example, an angle of approximately 120 ° to approximately 150 °, preferably an angle of approximately 135 °.
  • the pivot axis of the at least one piston is formed by an axle journal on which the at least one piston is mounted, wherein the axle journal is movably arranged in the housing, so that when the shaft rotates a reciprocating pivoting movement in can run a plane which is spanned by the pivot axis and the axis of rotation.
  • the bearing of the at least one piston on a journal leads to a low-friction bearing of the piston about the pivot axis. Due to the oblique position of the rotor element with respect to the axis of rotation on the at least one piston, the at least one piston in addition to the pivoting movement about the pivot axis performs a pivoting movement in a plane which is spanned by the pivot axis and the axis of rotation. Due to the movable arrangement of the axle journal, this additional pivotal movement of the at least one piston is made possible.
  • the second piston together with the first piston, the first chamber and possibly. limited the second working chamber.
  • the second piston is formed with respect to a plane transverse to the axis of rotation and parallel to the pivot axis mirror-symmetrical to the first piston and arranged mirror-symmetrically to the first piston in the housing.
  • This measure advantageously contributes to the mass balance of the pistons of the oscillating piston engine. Due to the symmetrical design of the piston, the pivoting movements of the pistons do not lead to an imbalance.
  • the second shaft is performed by the first shaft, wherein the first shaft and the second shaft end via a gear arrangement, preferably a. Bevel gear, connected to a third shaft.
  • the second shaft has a ball at the center of the housing, which is mounted in a spherical receptacle in the journal, is.
  • the journal can thus pivot around the ball.
  • a mass balance element is arranged to the asymmetric mass distribution of the first and possibly. of the second rotor element with respect to the axis of rotation compensate.
  • the mass balance element for balancing the oscillating piston engine is adjustable.
  • the invention further relates to a oscillating piston engine arrangement, with a first oscillating piston engine after one or a plurality of the aforementioned embodiments and at least one second oscillating piston engine according to one or more of the aforementioned embodiments, wherein the second oscillating piston engine is connected to the first oscillating piston engine arranged in series ".
  • a four-cylinder, six-cylinder or even high-cylinder engine can be realized as an internal combustion engine in the case of using the oscillating piston engine according to the invention.
  • the advantage is also created that a complete succession lining up four successive working cycles is achieved without interruption.
  • first oscillating-piston machine and the second oscillating-piston machine have a phase position of the piston working positions which is offset relative to one another by a predetermined angle, preferably 180 °.
  • connection of the at least two oscillating piston machines preferably takes place via a gear arrangement, preferably a bevel gear, to the work performed by the at least two oscillating piston machines on a common shaft transfer.
  • a gear arrangement preferably a bevel gear
  • Fig. 1 is an overall perspective view of a swing piston engine
  • FIG. 4 shows the oscillating piston engine in a comparable representation as in FIG. 2 in a third operating position
  • FIG. 5 shows the oscillating-piston machine in a same illustration as in FIG. 2 in a fourth operating position
  • FIG. 4 shows the oscillating piston engine in a comparable representation as in FIG. 2 in a third operating position
  • FIG. 5 shows the oscillating-piston machine in a same illustration as in FIG. 2 in a fourth operating position
  • Fig. 6 shows the oscillating piston machine in FIG. 1 in plan view, partially in longitudinal section in a first operating position, which corresponds to the operating position in FIG. 2;
  • FIG. 7 the oscillating piston engine in a same view as in Fig. 6 in a second operating position, the operating position in FIG. 3 corresponds;
  • FIG. 8 shows the oscillating piston engine in a same illustration as in FIG. 6 in a third operating position, which corresponds to the operating position in Fig. 4;
  • FIG. 9 shows the oscillating piston engine in a same illustration as in FIG. 6 in a fourth operating position, which corresponds to the operating position in FIG. 5;
  • Fig. 10 shows the Schwenkkolbenmas ⁇ hine in a representation as in Figure 2, but now also the pistons are shown in longitudinal section ..;
  • Fig. Fig. 11 is a cross-sectional view of the oscillating piston engine taken along the line XI-XI in Fig. 10;
  • FIG. 12 is a longitudinal sectional view of the oscillating piston engine taken along the line XII - XII in FIG. 10;
  • Fig. 13 is a S ⁇ hwenkkolbenmaschinenanssen of two oscillating piston machines of FIG. 1 - 12; Fig. 14a) to h) eight illustrations of a rotary piston engine according to FIGS. 1-12 in eight different operating positions;
  • an oscillating-piston engine 10 provided with the general reference numeral 10 is shown according to an embodiment of the invention.
  • the oscillating piston engine 10 according to the present embodiment is realized as an internal combustion engine.
  • the oscillating piston engine 10 has a housing 12, which is constructed substantially spherically symmetrical.
  • the housing has two housing halves 14 and 16 ( Figure 2) which are detachable from each other.
  • a housing inner wall 18 of the housing 12 is spherical. On the front side, the housing 12 is closed by a respective housing end cover 20 or 22 (FIGS. 1 and 2).
  • two pistons 24 and 26 are arranged in the housing 12.
  • the pistons 24 and 26 are pivotable about a Schwenka ⁇ hse 28, as will be described hereinafter.
  • the pivot axis 28 is perpendicular to the plane of the drawing.
  • the pistons 24 and 26 are identical to each other and arranged with respect to a plane 30 which includes the pivot axis 28, mirror-symmetrically in the housing 12.
  • the pivot axis 28 is formed by a journal 32 on which the pistons are pivotally mounted, while the axle journal 32 is not pivotable about the pivot axis 28.
  • the pistons 24, 26 are sealed against the journal 32 by linear seals 34, 36 (pistons 26) and 38, 40 (pistons 24) disposed in grooves of the pistons 24, 26, as shown in FIG.
  • the seals 34-40 are movable in the grooves to the axle journal 32 in order to create a seal on the journal 32 can.
  • the pistons 24, 26 in cross-section through the pivot axis 28 in the shape of a triangle.
  • a respective outer surface 42 and 44 of the pistons 24 and 26, which face the housing inner wall 18, however, is curved to the spherical shape of the housing inner wall 18 spherical surface shaped.
  • the piston 24 On its front side, the piston 24 has a first surface 54 extending radially relative to the housing inner wall 18 and also on its front side a second surface 56 which also extends radially with respect to the pivot axis 28 up to the housing inner wall 18 (FIG ).
  • the surfaces 54 and 56 enclose with each other an angle which is about 135 °.
  • the piston 26 has a first, with respect to the pivot axis 28 radially to the housing inner wall 18 extending surface 58, and a second, with respect to the pivot axis 28 to the housing inner wall 18 radially extending surface 60 (FIG. 3).
  • the surface 54 of the piston 24 and the surface 58 of the piston 26 define, together with the journal 32 and the housing inner wall 18, a first working chamber 62 (FIG. 4).
  • the surface 56 of the piston 24 and the surface 60 of the piston 26 define together with the journal 32 and the housing inner wall 18 a second working chamber 64 ( Figure 2).
  • the second working chamber 64 is the first working chamber 62 with respect to the pivot axis 28 diametrically opposite.
  • the surfaces 54 and 58 or 56 and 60 form an angle of approximately 100 to 120 °, in the exemplary embodiment shown approximately 110 °, that is to say approximately one third of a full circle angle.
  • the structure of the oscillating piston engine 10 with respect to the control mechanism for bringing about the S ⁇ hwenk- movements of the pistons 24 and 26 described in more detail.
  • the oscillating piston engine 10 has a first shaft 66, which is rotatable about an axis of rotation 68 and can rotate.
  • the axis of rotation 68 intersects the pivot axis 28 in the middle of the housing.
  • the axis of rotation 68 is in certain operating positions of the pistons 24 and 26 as shown in FIG. 2 and 4 perpendicular to the pivot axis 28, in other operating positions as shown in FIG. 3 and 5, however, close the axis of rotation 68 and the pivot axis 28 at an angle of ⁇ 90 °.
  • the shaft 66 is rotatably connected to a first rotor element 70.
  • the rotor element 70 has essentially the shape of a ball cap, so that an outer side 72 is adapted to the spherical shape of the housing inner wall 18.
  • the rotor element 70 is disposed in the housing 12 outside the housing center, and the rotor element in the form of the ball cap is rotatably connected to the shaft outside its Kugelkappenpols, so that the rotor element 70 is arranged asymmetrically or eccentrically with respect to the axis of rotation 68.
  • a circular non-radially directed running surface 74 along which the rotor element 70 runs when the shaft 66 rotates is defined on the piston 24 near its edge facing the inner wall of the housing 24 does not rotate around with the axis of rotation 68.
  • the running surface 74 always forms an angle of ⁇ 90 ° with the axis of rotation 68, in the embodiment shown an angle of approximately 110 °.
  • the rotor element 70 is thus mounted on the rear side of the piston 24 via an oblique bearing describing a full circle. In this case, the bearing of the rotor element 70 on the annular running surface 74 of the piston 24 via a low-friction bearing 16 friction (Fig. 10).
  • the rotor element 70 is mounted on the centrifugal force side via a low-friction bearing in the form of a ball bearing 78, wherein the balls of the ball bearing 78 are arranged in a circular line.
  • a trough 80 As a cooling and S ⁇ hmierstoff- space.
  • Another trough 82 has the rotor element 70 on its side facing the piston 24, which also serves to improve the lubrication.
  • the piston 26 is associated with a rotor element 70 identical to the rotor element 84, which in the operating position shown in FIG. 10 or in the operating positions shown in FIG. 2 and 4 with respect to the plane 30 mirror symmetris ⁇ h to the rotor member 70 is disposed in the housing 12, in other operating positions shown in FIG. 3 and 15 point symmetrical with respect to the center of the housing.
  • the rotor element 84 is rotatable about the same axis of rotation 68, but rotates in the opposite direction with respect to the rotor element 70.
  • the rotor element 84 is asymmetrically or eccentrically connected to a likewise rotatable about the axis of rotation 68 shaft 86 rotatably connected, which, as already mentioned, with respect to the shaft 66 rotates in opposite directions.
  • the shaft 86 is passed through the center of the housing (FIG. 11) and has a ball 88 in the region of the center of the housing which is arranged in the axle journal 32.
  • the ball 88 may be fixedly connected to the shaft 86, or arranged as a separate part on this.
  • the axle journal 32 can perform a pivoting movement, in the plane which is spanned by the axis of rotation 68 and the pivot axis 28.
  • Fig. 11 is still shown that the axle journal is sealed at the ends by means of seals 90, 92 and 94 and 96 against the housing inner wall.
  • the shaft 86 is further performed by the shaft 66 and rotatably supported by one end 98 in the housing end cover 22. With its other end 100, the shaft 86 is rotatably mounted in the housing end cover 20.
  • the shaft 66 and the shaft 86 are connected to each other via a gear arrangement 102 in order to convert the opposing rotations of the shaft 86 and the shaft 66 into a rotation of another shaft 104.
  • the gear arrangement 102 is in the form of a bevel gear, wherein a first bevel gear with the shaft 66, a second bevel gear 108 with the shaft 86 and a spur gear 110 with the shaft 104 are rotatably connected.
  • a mass balance weight 112 and is on the shaft 66 at the shaft 86 a mass balance weight 114 is arranged, which are respectively rotatably connected to the shaft 66 and 86 and thus rotate about the axis of rotation 68 when rotating the shafts 66, 86.
  • the mass balancing weights 112 and 114 are adjustable for balancing.
  • the oscillating piston engine 10 furthermore has the following elements which, with reference to FIG. 11 will be described.
  • the working chamber 62 is associated with a spark plug 116, which is arranged on the housing 12. Further, the working chamber 62 is associated with an inlet port 118 for admitting a fuel-air mixture through the housing 12. Connected to the inlet port 118 is an air supply pipe 120 into which an injector 122 for injecting a fuel flows.
  • the working chamber 62 is associated with an outlet opening 124 in the housing 12, through which the burned and previously expanded combustion mixture is ejected.
  • a respective valve 126 or 128 is arranged to open or close the inlet opening 118 and the outlet opening 124.
  • the valves 126, 128 are designed as rotary valve valves with electric or electronically controlled 90 ° drive 130 and 132, respectively.
  • the valves 126 and 128 are shown in their closed position, and by turning the valves 126 and 128 by 90 ° they are brought into their open position. It is understood that the valves 126 and 128 at Operation of the oscillating piston engine 10 only alternately and not opened at the same time, but can be closed at the same time.
  • the working chambers 64 are correspondingly associated with a spark plug 134, an inlet opening 136 with air supply pipe 138 and injection nozzle 140, a valve 142 with drive 144, and an outlet opening 146 with valve 148 and drive 150.
  • the shaft 66 is rotated 90 degrees counterclockwise about the axis of rotation 68, while the shaft 86 is rotated about the axis of rotation 68 in the opposite direction; H . clockwise, rotated by 90 °.
  • the volume of the working chamber 62 has increased, and the volume of the working chamber 64 has compared to FIG. 2 by the pistons 24 and 26 have a pivoting movement about the pivot axis 28, caused by corresponding rotations of the rotor elements 70 and 84 on the backs of the pistons 24 and 26 executed.
  • the pivot axis 28 and the axle journal 32 have while also displaced, ie in the plane spanned by the pivot axis 28 and by the axis of rotation 68 in FIG. 3 or in Fig. 7 pivoted clockwise.
  • the oscillating-piston machine 10 is shown at a point in time in which the compression chamber in the working chamber 62 process is just completed or the process of expansion (after ignition) just begins.
  • Fig. 14b the oscillating-piston engine 10 is shown at a point in time in which 50% of the expansion process takes place in the working chamber 62 and 50% in the working chamber 64 of the compression process. The valves are still closed.
  • Fig. 14c the oscillating-piston engine 10 is shown at a point of time in which the process of expansion in the working chamber 62 is completely completed and the process of ejection is just beginning, while in the working chamber 64 the process of compression is completely completed and the process of expansion (ignition ) is just starting.
  • Fig. 14f shows the oscillating piston engine 10 at a time when 50% of the suction process (valve 126 still open) in the working chamber 62 and 50% in the working chamber 64 (discharge valve 148 still open) has expired.
  • a swivel-piston machine arrangement 200 is shown that is formed from two series-connected swivel-piston machines 10 and 10 ', the swivel-piston machine 10' being identical to the swivel-piston machine 10 according to FIGS. 1-12.
  • the two oscillating piston machines 10 and 10 ' are not in phase with respect to the phase position of the pistons 24 and 26 or 24' and 26 ", but the phase position of the piston 24 ', 26' is in relation to the phase position of the piston 24, 26 by 180
  • the coupling of the oscillating piston machines 10 and 10 'to one another takes place via a gear arrangement 202, which is designed as a bevel gear, in which case the shaft 66 of the oscillating piston machine 10 is connected in a rotationally fixed manner to a bevel gear 204 and the shaft 86 to a bevel gear 205 'is rotatably connected to a bevel gear 206, while the shaft 86' is connected to a bevel gear 207.
  • FIGS. 14a) - h) show corresponding working positions of the oscillating piston machines 10 and 10 '.
  • FIGS. 15b) - 15h result analogously to the working cycle diagram in FIG. 14 (see Table 1 in the Annex).
  • the valve positions are analogous to the description of FIG. 14a) - 14h). It is understood that not only two oscillating piston machines can be coupled to a pivoting piston machine arrangement, but it can also be three or more oscillating piston machines are coupled together accordingly.

Abstract

Eine Schwenkkolbenmaschine (10) weist ein Gehäuse (12), das eine kugelförmige Gehäuseinnenwand (18) aufweist, zumindest einen im Gehäuse (12) angeordneten Kolben (24), der um eine durch die Gehäusemitte gehende Schwenkachse (28) verschwenkbar ist, auf, wobei der zumindest eine Kolben (24) bei rotierender Welle (66) hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführt, und wobei eine zumindest erste sich radial zur Gehäuseinnenwand (18) erstreckende Fläche (54) auf einer Vorderseite des zumindest einen Kolbens (24) zumindest eine erste Arbeitskammer (62) begrenzt. Auf einer Rückseite des zumindest einen Kolbens (24) ist ein mit der Welle (66) drehfest verbundenes außerhalb der Gehäusemitte angeordnetes Rotorelement (70) angeordnet, wobei die Rückseite des zumindest einen Kolbens (24) zumindest eine kreisförmige, nicht radial gerichtete Lauffläche (74) definiert, entlang der das Rotorelement (70) bei drehender Welle (66) läuft, und die mit der Drehachse (68) einen Winkel von ≠ 90° bildet, während der zumindest eine Kolben nicht um die Drehachse (68) umläuft.

Description

Schwenkkolbenmaschine sowie Schwenkkolbenmaschinenanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schwenkkolbenmaschine, mit einem Gehäuse , das eine kugelförmige Gehäuseinnenwand aufweist, mit zumindest einem im Gehäuse angeordneten Kolben, der um eine durch die Gehäusemitte gehende Schwenkachse verschwenkbar ist, wobei der zumindest eine Kolben mit einer um eine ebenfalls durch die Gehäusemitte gehende Drehachse drehbaren Welle derart in Wirkverbindung steht, dass der zumindest eine Kolben bei rotierender Welle hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführt, und wobei eine zumindest erste sich radial zur Gehäuseinnenwand erstreckende Fläche auf einer Vorderseite des zumindest eines Kolbens zumindest eine erste Arbeitskammer begrenzt, wobei auf einer Rückseite des zumindest einen Kolbens ein mit der Welle drehfest verbundenes , außerhalb der Gehäusemitte angeordnetes Rotorelement angeordnet ist, wobei die Rückseite des zumindest einen Kolbens zumindest eine kreisförmige, nicht radial gerichtete Lauffläche definiert, entlang der das Rotorelement bei drehender Welle läuft und die mit der Drehachse einen Winkel von ≠ 90 ° bildet, wobei in dem Gehäuse ein zweiter Kolben angeordnet ist, der um dieselbe Schwenkachse wie der erste Kolben verschwenkbar ist, wobei die Schwenkbewegungen des ersten und des zweiten Kolbens gegensinnig sind, und wobei dem zweiten Kolben ein zweites Rotorelement zugeordnet ist .
Die Erfindung betrifft ferner eine Sσhwenkkolbenmaschinenanord- nung, die mehrere Schwenkkolbenmaschinen der eingangs genannten Art aufweist .
Eine Schwenkkolbenmaschine der eingangs genannten Art ist aus dem Dokument DE 34 08 560 Al bekannt .
Schwenkkolbenmaschinen und insbesondere eine Schwenkkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung können als Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren) , als Pumpen oder als Kompressoren verwendet werden . Eine Schwenkkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Brennkraftmaschine verwendet und als solche in der vorliegenden Beschreibung beschrieben .
Im Falle der Verwendung einer Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine werden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens , Verdichtens , Zündens des Verbrennungsgemisches und des Expan- dierens und Ausstoßens des verbrannten Verbrennungsgemisches durch hin- und hergehende Schwenkbewegungen der einzelnen Kolben zwischen zwei Endstellungen vermittelt .
Unter den Schwenkkolbenmaschinen sind solche mit einer Kugelgeometrie des Gehäuses bekannt .
Bei einer aus dem Dokument WO 03/067033 Al desselben Anmelders bekannten Schwenkkolbenmaschine sind im dem kugelförmigen Gehäuse eine Mehrzahl von Kolben angeordnet, die um eine im Wesentlichen gehäusemittige gehäusefeste Umlaufachse gemeinsam umlaufen und beim Umlaufen in dem Gehäuse hin- und hergehende Schwenkbewegungen um eine jeweilige Schwenkachse ausführen, wobei jeweils zwei benachbarte Kolben gegensinnig verschwenken. Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine sind jeweils zwei diametral bezüglich der Gehäusemitte gegenüberliegende Kolben zu einem Doppelkolben miteinander verbunden, und zwei derartige Kolbenpaare sind in der Gehäusemitte über Kreuz angeordnet . Zwischen jeweils zwei gegenüberstehenden Kolben der Kolbenpaare wird jeweils eine Arbeitskammer gebildet , so dass die bekannte Schwenkkolbenmaschine zwei Arbeitskammern aufweist . Beide Arbeitskammern , die bezüglich der Gehäusemitte diametral gegenüberliegend angeordnet sind, vergrößern und verkleinern sich bei der hin- und hergehenden Schwenkbewegung der Kolben gleichsinnig . Die Schwenkbewegung der Kolben dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine wird durch an den Kolben angeordnete Führungsglieder aus der Umlaufbewegung der Kolben um die Drehachse vermittelt , die in einer oder mehreren als Steuerkurven ausgebildeten Nuten im Gehäuse geführt sind .
Aus dem Dokument DE 25 19 911 Al ist eine Schwenkkolbenmaschine bekannt, deren Arbeitsprinzip sich von der zuvor beschriebenen bekannten Schwenkkolbenmaschine unterscheidet .
Bei einem in Fig. 5 in jenem Dokument dargestellten Ausführungsbeispiel , von dem die vorliegende Erfindung ausgeht, weist die bekannte Schwenkkolbenmaschine einen im Wesentlichen kugelförmigen Kolben auf, aus dem ein kugelkeilförmiges Segment ausgeschnitten ist . Der kugelförmige Kolben wird von einem ebenfalls kugelförmigen Rotor umgeben , wobei der Kolben mit dem umgebenden Rotor durch eine Trennwand drehfest verbunden ist, die durch die durch den kugelkeilförmigen Ausschnitt gebildete Arbeitskammer hindurchgeht . Auf Grund der drehfesten Kopplung des Kolbens und des umgebenden Rotors laufen beide um die Dreh- achse um, wobei der kugelförmige Kolben eine gegenüber der Drehachse schräg gestellte zweite Drehachse aufweist, so dass durch die Schrägstellung der Drehachse des Kolbens zur Drehachse der Welle eine Schwenkbewegung des Kolbens um eine senkrecht zur Drehachse verlaufende Schwenkachse entsteht .
Nachteilig an dieser Konstruktion ist die Art des Antriebs der Schwenkbewegungen des Kugelkolbens , die durch zwei schräg gestellte Drehachsen vermittelt wird. Dies erfordert eine hochpräzise Ausrichtung der Drehachsen, so dass sie sich exakt im Gehäusemittelpunkt schneiden, anderenfalls ist die Funktion der Maschine nicht gewährleistet. Darüber hinaus ist die durch den kugelkeilförmigen Ausschnitt im Kugelkolben gebildete eine Arbeitskammer im Volumen relativ klein und flach . Der maximale Öffnungswinkel der Arbeitskammer beträgt bei dieser Konstruktion weniger als 45° .
Bei einer weiteren in jenem Dokument in Fig . 1 bzw. 4 dargestellten Ausführungsform sind in dem kugelförmigen Gehäuse zwei Kolben angeordnet, die die Form eines Kreisringabschnitts aufweisen . Die beiden Kolben sind über eine Stange mit einer Taumelscheibe verbunden, die gehäusemittig angeordnet und mit der Welle, die sich um die Drehachse drehen kann, fest verbunden ist . Die Taumelscheibe ist bezüglich der Drehachse schräg angeordnet. Beim Drehen der Welle bewirkt die schräg gestellte Taumelscheibe eine hin- und hergehende Schwenkbewegung der beiden Kolben . Diese Schwenkkolbenmaschine hat den Nachteil, dass der gehäusemittige Antrieb der Kolben mittels der Taumelscheibe im Gehäuse einen großen Raum beansprucht, der zu Lasten großer Arbeitskammern geht . Der durch die KugelSymmetrie des Gehäuses an sich gegebene Vorteil eines bei kleiner Oberfläche großen Rauminhalts geht hierdurch wieder verloren . Die durch die beiden Kolben definierten Arbeitskaπunern sind an Stirnseiten der beiden Kolben gebildet und weisen ebenfalls die Form eines Kreisringsegments auf . Sowohl der Hub der Kolben als auch das Volumen der Arbeitskammern sind relativ gering . Bei einer Verwendung einer solchen Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine ist der erreichbare Verdichtungsgrad eher gering .
Dem gegenüber ist aus dem eingangs genannten Dokument DE 34 08 560 Al ein Kugelmotor bekannt, der gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem kugelförmigen Gehäuse zwei Taumelkolben aufweist, die auf einer gemeinsamen Abtriebswelle drehbar gelagert sind, wobei die Achsen der Taumelkolben gegen die Abtriebswelle geneigt sind. Die Taumelkolben berühren sich entlang einer Wälzlinie . Während einer Umdrehung der Abtriebswelle macht die Wälzlinie , das heißt die Berührlinie zwischen den beiden Taumelkolben, ebenfalls eine Umdrehung. Die Wälzlinie bewegt sich dabei im Uhrzeigersinn. Schwimmend auf der Abtriebswelle gelagert befindet sich eine Kugel , die zwei annähernd trapezförmige Trennwände trägt, die an ihrem äußeren Ende in der Hohlkugel befestigt sind. Die beiden schrägen Seitenflächen der Trennwände ragen in Aussparungen der beiden Taumelkolben , wobei Dichtleisten eine Abdichtung zwischen dem Taumelkolben und der Trennwand bewirken. Bei diesem Ausführungsbeispiel laufen die Taumelkolben um die durch die Abtriebswelle definierte Drehachse in dem Gehäuse um.
Bei einem anderen in dem vorstehend genannten Dokument beschriebenen Ausführungsbeispiel weist der Kugelmotor nur einen Taumelkolben auf . Aus dem Dokument DE-OS 1 903 381 ist ein weiterer Kugelmotor bekannt, der zwei kugelsektorförmige Kolben aufweist , die miteinander in der Gehäusemitte gelenkig verbunden sind . Die beiden Kolben führen eine kugelförmige Bewegung in entgegengesetzten Richtungen aus . Dazu sind die kugelsektorförmigen Kolben mit jeweils einem Zapfen fest verbunden, wobei die beiden Zapfen jeweils in einem schräg angeordneten Loch untergebracht sind, das mit der Spitze zur Mitte der Kugel gerichtet ist . Die Zapfen sind auf zwei verschiedenen einander entgegengesetzt angeordneten , mit Außenverzahnung versehenen Zahnrädern angeordnet, deren Achse durch den Mittelpunkt der Kugel verläuft und durch Rädergetriebe miteinander verbunden sind und sich in entgegengesetzten Richtungen drehen .
Das Dokument DE-AS 23 51 990 beschreibt eine Rotationskolben- Expansionsmaschine mit einem stationären Gehäuse und einem in diesem auf einer Exzenterwelle exzentrisch gelagerten, beweglichen Verdrängerkolben, der in Wirkverbindung mit mindestens einer zwischen ihm und dem Gehäuse befindlichen elastisch formbaren Druckzelle steht, die über einen Stutzen von einem Druckmittel periodisch beaufschlagbar ist .
DE 42 42 449 Al offenbart eine Taumelscheibenmaschine mit einem hohlkugelförmigen Arbeitsraum, der durch eine Trennwand in mindestens einen Hochdruckraum und einen Niederdruckraum unterteilt ist, in den das Arbeitsmedium durch ein Leitungssystem zuführbar ist, wobei die Trennwand bis zu einem Kolbenträger reicht und mit einer plattenförmigen Dichtleiste zusammenarbeitet , die Taumelscheibenmaschine weist weiterhin einen Kolben auf , der durch eine gelagerte Antriebswelle mit dem AuJ3enraum verbunden ist, wobei die Antriebswelle eine Taumelbewegung des Kolbens bewirkt, und der Kolben mindestens einen radialen sich vom Umfang bis ungefähr zu dem Kolbenträger erstreckenden Radialschlitz aufweist, in dem ein Führungszapfen eingesetzt ist, der mit der Trennwand zusammenarbeitet, und wobei der Kolben sich nach außen zum Umfang hin verjüngt.
Das Dokument DE-OS 2 161 572 offenbart eine Kugelkolben-Vakuum- Pumpe , die einen Kugelkolben aufweist, der durch eine schräg, exzentrisch angeordnete Antriebswelle bewegt wird, so dass der Kugelkolben eine taumelartige Rotation ausführt und den beiden in dem Kugelgehäuse vorhandenen Kammern eine permanente Volumenänderung aufzwingt .
Eine weitere Pumpe , deren Aufbau dem Kugelmotor gemäß DE-OS 1 903 381 ähnlich ist, ist in dem Dokument US-3 040 664 offenbart .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schwenkkolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden, dass insbesondere ein einfacher Aufbau mit geometrisch einfachen Elementen bei gleichzeitig besserer Raumausnutzung für die zumindest eine Arbeitskammer erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Schwenkkolbenmaschine dadurch gelöst , dass das zweite Rotorelement mit einer zweiten Welle drehfest verbunden ist, die um dieselbe Drehachse wie die erste Welle, jedoch gegensinnig zu dieser dreht, und dass die beiden Kolben nicht um die Drehachse umlaufen . Die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschine ermöglicht durch das auf der Rückseite des Kolbens außerhalb der Gehäuseπiitte ablaufende Rotorelement eine bessere Raumnutzung in dem Gehäuse für die zumindest eine Arbeitskammer und einen wesentlich größeren Schwenkhub des zumindest einen Kolbens als die bekannte Schwenkkolbenmaschine, bei der das Rotorelement gehäusemittig und radial gerichtet ausgebildet ist . Gleichzeitig ist hiermit im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine ein wesentlich höheres Verdichtungsverhältnis für das Verbrennungsgemisch erreichbar . Die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschine besitzt darüber hinaus im Unterschied zu der bekannten Schwenkkolbenmaschine geometrisch einfach geformte Teile und vermeidet , dass der zumindest eine Kolben in dem Gehäuse um die Drehachse mit der Welle umläuft. Hierdurch verringert sich der Verschleiß des zumindest einen Kolbens und der Dichtungen, die am Kolben angeordnet sein können, um die Arbeitskammer abzudichten . Das zumindest eine Rotorelement der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine läuft auf der Rückseite des zumindest einen Kolbens , also der die Arbeitskammer begrenzenden Vorderseite gegenüberliegend ab und ruft bei diesem Ablaufen die hin- und hergehende Schwenkbewegung des zumindest einen Kolbens hervor.
In dem Gehäuse ist ein zweiter Kolben angeordnet ist, der um dieselbe Schwenkachse wie der erste Kolben verschwenkbar ist, wobei die Schwenkbewegung des ersten und des zweiten Kolbens gegensinnig sind .
Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass sich der jeweilige Schwenkhub des ersten und zweiten Kolbens zu einem Gesamt- hub addiert, der doppelt so groß ist wie im Fall , dass nur ein verschwenkbarer Kolben vorgesehen ist . Hierdurch wird vorteilhafterweise zum einen ein größeres maximales Volumen zumindest einer der Arbeitskammern geschaffen, weil die Hübe der beiden Kolben sich zu einem Gesamthub addieren, und es kann auch ein höheres Verdichtungsverhältnis erreicht werden, wobei ein Verdichtungsverhältnis von 20 : 1 erreichbar ist . Hierdurch eignet sich die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschine insbesondere als Dieselmotor.
Dem zweiten Kolben ist ein zweites Rotorelement zugeordnet, wobei das zweite Rotorelement mit einer zweiten Welle drehfest verbunden ist, die um dieselbe Drehachse wie die erste Welle, jedoch gegensinnig zu dieser dreht .
Es wäre zwar denkbar, die hin- und hergehende Schwenkbewegung des zweiten Kolbens aus der Schwenkbewegung des ersten Kolbens unmittelbar abzuleiten, beispielsweise durch eine Wälzlagerung der beiden Kolben aneinander, jedoch hat das Vorsehen eines weiteren Rotorelements für den zweiten Kolben den Vorteil , dass die beweglichen Teile der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine insgesamt symmetrisch und damit massenausgeglichen ausgebildet werden können, und dass für den zweiten Kolben ein eigener Antrieb vorhanden ist, so dass der zweite Kolben ebenfalls aktiv gesteuert ist .
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Rotorelement ebenfalls zumindest eine der Rückseite des zumindest einen Kolbens zugewandte kreisförmige Lauffläche auf, die auf der zumindest einen kreisförmigen Lauffläche des zumindest einen Kolbens abläuft . Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das Rotorelement über zumindest eine volle Kreisringfläche an der Rückseite des Kolbens anliegt, wodurch auf der Rückseite des Kolbens eine gleichmäßige Lastverteilung bei hoher Kraftübertragung erreicht wird .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die zumindest eine Lauffläche an einem der Gehäuseinnenwand . nahe liegenden Rand der Rückseite des zumindest einen Kolbens vorhanden.
Hierbei ist von Vorteil , dass die zumindest eine Lauffläche von der Drehachse maximal beabstandet werden kann, wodurch die Schwenkbewegung des zumindest einen Kolbens mit möglichst großem von dem Rotorelement ausgeübten Drehmoment erfolgt, wodurch beispielsweise ein Verbrennungsgemisch, das bereits mit Überdruck in die Arbeitskammer eingelassen wurde , mit hoher Kraft verdichtet werden kann .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Rotorelement auf der zumindest einen kreisförmigen Lauffläche des zumindest einen Kolbens über ein Leichtlauflager gelagert.
Durch diese Maßnahme werden Reibungsverluste zwischen dem Rotorelement und der Rückseite des Kolbens vorteilhafterweise stark verringert .
Im Sinne eines vorteilhaft einfachen, wenige Teile benötigenden Aufbaus der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine ist das Rotorelement unmittelbar mit der Welle verbunden . In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Rotorele- ment im Wesentlichen in Form einer Kugelkappe ausgebildet, deren gewölbte Seite der Gehäuseinnenwand zugewandt ist, wobei die Kugelkappe mit der Welle bezüglich ihres Kappenpols außermittig verbunden ist .
Mit dieser Konstruktion passt sich das Rotorelement optimal in die Kugelgeometrie des Gehäuses der Schwenkkolbenmaschine ein und kann im Sinne einer hohen Kraftübertragung auf den Kolben besonders stabil ausgebildet werden . Auf der der Gehäuseinnenwand und/oder dem Kolben zugewandten Seite kann die Kugelkappe auch eine oder mehrere Mulden aufweisen , die insbesondere als Schmier- und Kühlraum zwischen dem Rotorelement und der Gehäuseinnenwand bzw. dem Kolben genutzt werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Rotorelement über ein Leichtlauflager, insbesondere Kugellager, flieh- kraftseitig gegen die Gehäuseinnenwand gelagert .
Auf Grund der exzentrischen Anordnung des Rotorelements bezüglich der Drehachse treten bei der Rotation um die Drehachse Fliehkräfte auf , die von dem Leichtlauflager mit vorteilhaft geringer Reibung gegen die Gehäuseinnenwand aufgenommen werden .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der zumindest eine Kolben auf seiner Vorderseite eine weitere sich radial zur Gehäuseinnenwand erstreckende Fläche auf, die mit der ersten Fläche einen Winkel von weniger als 180 ° einschließt, wobei die weitere Fläche eine zweite Arbeitskammer begrenzt, die von der ersten Arbeitskammer getrennt ist . Hierbei ist von Vorteil , dass mit einem Kolben zwei Arbeitskam- mern in dem Gehäuse der Schwenkkolbenmaschine gebildet werden, die sich gegensinnig zueinander bei der hin- und hergehenden Sσhwenkbewegung des zumindest einen Kolbens verkleinern und vergrößern . Auf diese Weise kann im Falle der Verwendung der Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine ein Zwei-Zylindermotor mit nur einem Kolben geschaffen werden , wobei die hin- und hergehende Schwenkbewegung des zumindest einen Kolbens zur Vergrößerung bzw. Verkleinerung der beiden Arbeitskairunern nur ein Rotorelement der zuvor genannten Ausgestaltung erfordert .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der zumindest eine Kolben im Schnitt quer zur Schwenkachse etwa die Form eines Dreiecks auf .
Eine solche Kolbengeometrie ist vorteilhaft einfach, so dass der zumindest eine Kolben auf einfache Weise in einem Material abtragenden Verfahren aus einem Vollmaterial hergestellt werden kann .
Die die beiden Arbeitskammern begrenzenden erste und zweite Fläche des zumindest einen Kolbens schließen beispielsweise einen Winkel von etwa 120 ° bis etwa 150 ° , vorzugsweise einen Winkel von etwa 135 ° ein .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Schwenkachse des zumindest einen Kolbens durch einen Achszapfen gebildet, auf dem der zumindest eine Kolben gelagert ist, wobei der Achszapfen im Gehäuse beweglich angeordnet ist, so dass er bei rotierender Welle eine hin- und hergehende Schwenkbewegung in einer Ebene ausführen kann , die durch die Schwenkachse und die Drehachse aufgespannt wird .
Die Lagerung des zumindest einen Kolbens auf einem Achszapfen führt zu einer reibungsarmen Lagerung des Kolbens um die Schwenkachse . Durch die Schräglagerung des Rotorelements bezüglich der Drehachse an dem zumindest einen Kolben führt der zumindest eine Kolben zusätzlich zur Schwenkbewegung um die Schwenkachse eine Schwenkbewegung in einer Ebene aus , die durch die Schwenkachse und die Drehachse aufgespannt wird. Durch die bewegliche Anordnung des Achszapfens wird diese zusätzliche Schwenkbewegung des zumindest einen Kolbens ermöglicht .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der zweite Kolben zusammen mit dem ersten Kolben die erste Kammer und ggf . die zweite Arbeitskammer begrenzt .
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der zweite Kolben bezüglich einer Ebene quer zur Drehachse und parallel zur Schwenkachse spiegelsymmetrisch zu dem ersten Kolben ausgebildet und spiegelsymmetrisch zu dem ersten Kolben in dem Gehäuse angeordnet .
Diese Maßnahme trägt vorteilhafterweise zur Massenausgeglichen- heit der Kolben der Schwenkkolbenmaschine bei . Durch die symmetrische Ausgestaltung der Kolben führen die Schwenkbewegungen der Kolben nicht zu einer Unwucht .
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die zweite Welle durch die erste Welle durchgeführt ist, wobei die erste Welle und die zweite Welle endseitig über eine Getriebeanordnung, vorzugswei- se ein. Kegelradgetriebe , mit einer dritten Welle verbunden sind.
Mit dieser Ausgestaltung wird mit konstruktiv einfachen Maßnahmen der Vorteil erreicht, dass die Rotationsenergien der beiden gegensinnig drehenden Wellen in eine gemeinsame Rotation einer dritten Welle umgesetzt wird, die dann die Antriebs- bzw. Abtriebswelle der Schwenkkolbenmaschine bildet .
Um mit konstruktiv einfachen Maßnahmen die VerSchwenkung des gemäß einer der vorhergehenden Ausgestaltungen vorgesehenen Achszapfens in der Ebene , die durch die Schwenkachse und die Drehachse aufgespannt wird, zu ermöglichen, ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die zweite Welle am Gehäusemittelpunkt eine Kugel aufweist, die in einer kugelförmigen Aufnahme im Achszapfen gelagert, ist. Der Achszapfen kann somit um die Kugel versσhwenken .
Das einzige Massenungleichgewicht, das durch das exzentrische Rotorelement entsteht, wird in einer bevorzugten und vorteilhaft einfachen Maßnahme dadurch beseitigt, dass an der ersten Welle und ggf . der zweiten Welle ein Massenausgleichelement angeordnet ist, um die asymmetrische Massenverteilung des ersten und ggf . des zweiten Rotorelements bezüglich der Drehachse auszugleichen .
Vorzugsweise ist das Massenausgleichselement zur Auswuchtung der Schwenkkolbenmaschine verstellbar .
Die Erfindung betrifft ferner eine Schwenkkolbenmaschinenanord- nung, mit einer ersten Schwenkkolbenmaschine nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausgestaltungen und mit zumindest einer zweiten Schwenkkolbenmaschine nach einer oder mehreren der zuvor genannten Ausgestaltungen, wobei die zweite Schwenkkolbenmaschine mit der ersten Schwenkkolbenmaschine in Reihe angeordnet verbunden ist".
Hierbei ist von Vorteil , dass ein vierzylindriger, sechszylind- riger oder noch hoherzylindriger Motor im Falle der Verwendung der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine realisiert werden kann. Bereits bei einer Reihenschaltung zweier erfindungsgemäßer Sσhwenkkolbenmaschinen wird darüber hinaus der Vorteil geschaffen, dass eine lückenlose Hin- tereinanderreihung vier hintereinander folgender Arbeitstakte ohne Unterbrechung erreicht wird.
In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt , wenn die erste Schwenkkolbenmaschine und die zweite Sσhwenkkolbenmaschine eine relativ zueinander um einen vorbestimmten Winkel , vorzugsweise 180° , versetzte Phasenlage der Kolbenarbeitsstellungen aufweisen .
Hierdurch ist gewährleistet, dass in jeder Stellung der Kolben ein Arbeitsereignis (Expandieren) stattfindet, so dass die erfindungsgemäße Schwenkkolbenmaschinenanordnung selbstlaufend ist .
Die Verbindung der zumindest zwei Schwenkkolbenmaschinen erfolgt vorzugsweise über eine Getriebeanordnung, vorzugsweise ein Kegelradgetriebe , um die von den zumindest zwei Schwenkkolbenmaschinen verrichtete Arbeit auf eine gemeinsame Welle zu übertragen. Das zuvor erwähnte Kegelradgetriebe der einen Schwenkkolbenmaschine entfällt dann vorteilhafterweise .
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich , dass die vorstehend genannten und 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 .
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben . Es zeigen :
Fig . 1 eine perspektivische Gesamtansicht einer Schwenkkolbenmaschine ;
Fig. 2 die Schwenkkolbenmaschine in Fig . 1 in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt in einer ersten Betriebsstellung;
Fig. 3 die Schwenkkolbenmasσhine in der gleichen Darstellung wie in Fig. 2 in einer zweiten Betriebsstellung;
Fig. 4 die Schwenkkolbenmaschine in einer vergleichbaren Darstellung wie in Fig . 2 in einer dritten Betriebsstellung; Fig . 5 die Schwenkkolbenmaschine in einer gleichen Darstellung wie in Fig. 2 in einer vierten Betriebsstellung;
Fig . 6 die Schwenkkolbenmaschine in Fig . 1 in Draufsicht, teilweise im Längsschnitt in einer ersten Betriebsstellung, die der Betriebsstellung in Fig. 2 entspricht;
Fig. 7 die Schwenkkolbenmaschine in einer gleichen Darstellung wie in Fig. 6 in einer zweiten Betriebsstellung, die der Betriebsstellung in Fig . 3 entspricht ;
Fig. 8 die Schwenkkolbenmaschine in einer gleichen Darstellung wie in Fig . 6 in einer dritten Betriebsstellung, die der Betriebsstellung in Fig. 4 entspricht;
Fig. 9 die Schwenkkolbenmaschine in einer gleichen Darstellung wie in Fig. 6 in einer vierten Betriebsstellung, die der Betriebsstellung in Fig. 5 entspricht ;
Fig . 10 die Schwenkkolbenmasσhine in einer Darstellung wie in Fig. 2 , wobei jedoch nun auch die Kolben im Längsschnitt dargestellt sind;
Fig . 11 eine Querschnittsdarstellung der Schwenkkolbenmaschine in einem Schnitt entlang der Linie XI-XI in Fig. 10 ;
Fig . 12 eine Längsschnittdarstellung der Schwenkkolbenmaschine in einem Schnitt entlang der Linie XII-XII in Fig . 10 ;
Fig . 13 eine Sαhwenkkolbenmaschinenanordnung aus zwei Schwenkkolbenmaschinen gemäß Fig. 1 - 12 ; Fig . 14a ) bis h) acht Darstellungen einer Schwenkkolbenmaschine gemäß Fig. 1 - 12 in acht verschiedenen Betriebsstellungen;
Fig. 15a ) bis h) die Schwenkkolbenmaschinenanordnung in Fig. 13 in acht verschiedenen Betriebsstellungen.
In Fig. 1 - 12 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Schwenkkolbenmaschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Schwenkkolbenmaschine 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Brennkraftmaschine realisiert .
Die Schwenkkolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das im Wesentlichen kugelsymmetrisch aufgebaut ist . Das Gehäuse weist zwei Gehäusehälften 14 und 16 ( Fig. 2 ) auf , die voneinander abnehmbar sind.
Eine Gehäuseinnenwand 18 des Gehäuses 12 ist kugelförmig ausgebildet . Stirnseitig ist das Gehäuse 12 durch jeweils einen Gehäuseenddeckel 20 bzw. 22 (Fig. 1 und 2 ) abgeschlossen.
In dem Gehäuse 12 sind zwei Kolben 24 und 26 angeordnet. Die Kolben 24 und 26 sind um eine Schwenkaσhse 28 verschwenkbar, wie hiernach noch beschrieben wird . In Fig . 2 - 5 steht die Schwenkachse 28 senkrecht auf der Zeichenebene .
Die Kolben 24 und 26 sind identisch zueinander ausgebildet und bezüglich einer Ebene 30 , die die Schwenkachse 28 enthält, spiegelsymmetrisch in dem Gehäuse 12 angeordnet. Die Schwenkachse 28 wird durch einen Achszapfen 32 gebildet, auf dem die Kolben verschwenkbar gelagert sind, während der Achszapfen 32 nicht um die Schwenkachse 28 verschwenkbar ist . Die Kolben 24 , 26 sind gegen den Achszapfen 32 mittels Lineardichtungen 34 , 36 (Kolben 26 ) und 38 , 40 (Kolben 24 ) abgedichtet, die in Nuten der Kolben 24 , 26 angeordnet sind, wie in Fig. 10 dargestellt ist . Die Dichtungen 34 - 40 sind in den Nuten zum Achszapfen 32 hin beweglich, um sich an den Achszapfen 32 dichtend anlegen zu können .
Gemäß Fig. 2 und 10 weisen die Kolben 24 , 26 im Querschnitt durch die Schwenkachse 28 die Form eines Dreiecks auf . Eine jeweilige Außenfläche 42 bzw. 44 der Kolben 24 und 26 , die der Gehäuseinnenwand 18 zugewandt sind, ist dagegen an die Kugelform der Gehäuseinnenwand 18 angepasst kugeloberflächenförmig gewölbt .
Über entsprechend kugeloberflächenlinienförmige Dichtungen 46 , 48 (Kolben 24 ) und 50 , 52 (Kolben 26 ) sind die Kolben 24 und 26 gegen die Gehäuseinnenwand 18 abgedichtet ( Fig . 10 ) . Die Dichtungen 46 - 52 sind wiederum in entsprechenden Nuten in den Kolben 24 und 26 eingelassen und können sich darin radial zur Gehäuseinnenwand 18 hin bewegen , um sich dichtend gegen die Gehäuseinnenwand 18 anzulegen .
Der Kolben 24 weist auf seiner Vorderseite eine erste , sich bezüglich der Schwenkachse 28 radial zur Gehäuseinnenwand 18 hin erstreckenden Fläche 54 und ebenfalls auf seiner Vorderseite eine zweite , sich ebenfalls bezüglich der Schwenkachse 28 radial bis zur Gehäuseinnenwand 18 erstreckende Fläche 56 auf ( Fig . 5 ) . Die Flächen 54 und 56 schließen miteinander einen Winkel ein, der bei etwa 135 ° liegt .
Der Kolben 26 weist eine erste , sich bezüglich der Schwenkachse 28 radial bis zur Gehäuseinnenwand 18 erstreckende Fläche 58 , und eine zweite, sich bezüglich der Schwenkachse 28 bis zur Gehäuseinnenwand 18 radial erstreckende Fläche 60 auf (Fig. 3 ) .
Die Fläche 54 des Kolbens 24 und die Fläche 58 des Kolbens 26 begrenzen zusammen mit dem Achszapfen 32 und der Gehäuseinnenwand 18 eine erste Arbeitskammer 62 (Fig. 4 ) . Die Fläche 56 des Kolbens 24 und die Fläche 60 des Kolbens 26 begrenzen zusammen mit dem Achszapfen 32 und der Gehäuseinnenwand 18 eine zweite Arbeitskammer 64 ( Fig . 2 ) . Die zweite Arbeitskammer 64 liegt der ersten Arbeitskammer 62 bezüglich der Schwenkachse 28 diametral gegenüber .
Bei der hin- und hergehenden Schwenkbewegung der Kolben 24 und 26 um die Schwenkachse 28 verkleinern und vergrößern sich die Arbeitskammern 62 , 64 gegensinnig zueinander . In Fig . 4 ist die Arbeitskammer 62 in einem Zustand maximalen Volumens dargestellt, während die Arbeitskammer 64 in einem Zustand minimalen Volumens dargestellt ist, und in Fig . 2 ist die Arbeitskammer 64 in einem Zustand maximalen Volumens dargestellt, während die Arbeitskammer 62 ihr minimales Volumen einnimmt .
In den Zuständen maximalen Volumens schließen die Flächen 54 und 58 bzw. 56 und 60 einen Winkel von etwa 100 bis 120 ° ein, im gezeigten Ausführungsbeispiel etwa 110 ° , also etwa ein Drittel eines Vollkreiswinkels . Nachfolgend wird der Aufbau der Schwenkkolbenmaschine 10 hinsichtlich des Steuermechanismus zur Herbeiführung der Sσhwenk- bewegungen der Kolben 24 und 26 näher beschrieben .
Hierzu weist die Schwenkkolbenmaschine 10 eine erste Welle 66 auf , die um eine Drehachse 68 drehbar ist bzw. rotieren kann . Die Drehachse 68 schneidet die Schwenkachse 28 in der Gehäusemitte. Die Drehachse 68 steht in bestimmten Betriebsstellungen der Kolben 24 und 26 gemäß Fig. 2 und 4 senkrecht zur Schwenkachse 28 , in anderen Betriebsstellungen wie in Fig . 3 und 5 schließen die Drehachse 68 und die Schwenkachse 28 jedoch einen Winkel von ≠ 90° ein .
Die Welle 66 ist mit einem ersten Rotorelement 70 drehfest verbunden. Das Rotorelement 70 weist im Wesentlichen die Form einer Kugelkappe auf , so dass eine Außenseite 72 an die Kugelform der Gehäuseinnenwand 18 angepasst ist . Das Rotorelement 70 ist in dem Gehäuse 12 außerhalb der Gehäusemitte angeordnet, und das Rotorelement in Form der Kugelkappe ist mit der Welle außerhalb ihres Kugelkappenpols drehfest verbunden, so dass das Rotorelement 70 asymmetrisch bzw. exzentrisch bezüglich der Drehachse 68 angeordnet ist.
Auf einer Rückseite des Kolbens 24 , die der oben genannten Vorderseite abgewandt ist, ist an dem Kolben 24 nahe seiner der Gehäuseinnenwand zugewandten Rands eine kreisförmige nicht radial gerichtete Lauffläche 74 definiert, entlang der das Rotorelement 70 bei drehender Welle 66 läuft , wobei jedoch der Kolben 24 dabei nicht mit um die Drehachse 68 umläuft . Die Lauffläche 74 bildet mit der Drehachse 68 stets einen Winkel von ≠ 90 ° , im gezeigten Ausführungsbeispiel einen Winkel von etwa 110 ° . Das Rotorelement 70 ist somit an der Rückseite des Kolbens 24 über ein einen Vollkreis beschreibendes Schräglager gelagert . Dabei ist die Lagerung des Rotorelements 70 an der kreisringförmigen Lauffläche 74 des Kolbens 24 über ein Leichtlauflager 16 reibungsarm (Fig . 10 ) . Gegen die Gehäuseinnenwand 18 ist das Rotorelement 70 über ein Leichtlauflager in Form eines Kugellagers 78 fliehkraftseitig gelagert, wobei die Kugeln des Kugellagers 78 in einer Kreislinie angeordnet sind.
Auf der der Gehäuseinnenwand 18 zugewandten Außenseite weist das Rotorelement 70 eine Mulde 80 als Kühl- und Sσhmiermittel- raum auf .
Eine weitere Mulde 82 weist das Rotorelement 70 auf seiner dem Kolben 24 zugewandten Seite auf, die ebenfalls einer Verbesserung der Schmierung dient .
Dem Kolben 26 ist ein mit dem Rotorelement 70 identisches Rotorelement 84 zugeordnet, das in der Betriebsstellung gemäß Fig . 10 bzw. in den Betriebsstellungen gemäß Fig . 2 und 4 bezüglich der Ebene 30 spiegelsymmetrisσh zu dem Rotorelement 70 in dem Gehäuse 12 angeordnet ist, in anderen Betriebsstellungen gemäß Fig . 3 und 15 punktsymmetrisch bezüglich der Gehäusemitte . Das Rotorelement 84 ist um dieselbe Drehachse 68 drehbar, rotiert jedoch in entgegengesetzter Richtung bezüglich dem Rotorelement 70. Wegen der identischen Ausbildung des Rotorelements 84 in Bezug auf das Rotorelement 70 werden die zuvor mit Bezug auf das Rotorelement 70 beschriebenen Einzelheiten, die auch das Zusammenwirken des Rotorelements 84 und den Kolben 26 betreffen , nicht näher beschrieben . Das Rotorelement 84 ist asymmetrisch bzw. exzentrisch mit einer ebenfalls um die Drehachse 68 drehbaren Welle 86 drehfest verbunden, die, wie bereits erwähnt , bezüglich der Welle 66 gegensinnig dreht .
Die Welle 86 ist durch den Gehäusemittelpunkt durchgeführt (Fig. 11 ) und weist im Bereich des Gehäusemittelpunkts eine Kugel 88 auf , die in dem Achszapfen 32 angeordnet ist . Die Kugel 88 kann fest mit der Welle 86 verbunden sein, oder als separates Teil auf dieser angeordnet sein . Um die Kugel 88 kann somit der Achszapfen 32 eine Schwenkbewegung ausführen, und zwar in der Ebene, die durch die Drehachse 68 und die Schwenkachse 28 aufgespannt wird. In Fig . 11 ist noch dargestellt, dass der Achszapfen endseitig mittels Dichtungen 90 , 92 bzw. 94 und 96 gegen die Gehäuseinnenwand abgedichtet ist . Die Welle 86 ist weiterhin durch die Welle 66 durchgeführt und mit einem Ende 98 in dem Gehäuseenddeckel 22 drehbar gelagert. Mit ihrem anderen Ende 100 ist die Welle 86 im Gehäuseenddeckel 20 drehbar gelagert .
Die Welle 66 und die Welle 86 sind über eine Getriebeanordnung 102 miteinander verbunden, um die gegensinnigen Drehungen der Welle 86 und der Welle 66 in eine Drehung einer weiteren Welle 104 zu überführen . Die Getriebeanordnung 102 ist in Form eines Kegelradgetriebes ausgebildet, wobei ein erstes Kegelrad mit der Welle 66 , ein zweites Kegelrad 108 mit der Welle 86 und ein Stirnrad 110 mit der Welle 104 drehfest verbunden sind.
Um die asymmetrische Massenverteilung des Rotorelements 70 und des Rotorelements 84 bezüglich der Drehachse 68 zu kompensieren, ist an der Welle 66 ein Massenausgleichgewicht 112 und an der Welle 86 ein Massenausgleichgewicht 114 angeordnet, die jeweils mit der Welle 66 bzw. 86 drehfest verbunden sind und somit beim Drehen der Wellen 66 , 86 um die Drehachse 68 rotieren . Die Massenausgleichgewichte 112 und 114 sind zur Auswuchtung verstellbar .
Entsprechend der Verwendung der Schwenkkolbenmaschine 10 als Brennkraftmaschine weist die Schwenkkolbenmaschine 10 weiterhin folgende Elemente auf, die mit Bezug auf Fig . 11 beschrieben werden .
Der Arbeitskammer 62 ist eine Zündkerze 116 zugeordnet, die am Gehäuse 12 angeordnet ist . Des Weiteren ist der Arbeitskammer 62 eine Einlassöffnung 118 zum Einlassen eines Brennstoff-Luft- Gemisches durch das Gehäuse 12 zugeordnet . Mit der Einlassöffnung 118 ist ein Luftzufuhrrohr 120 verbunden, in das eine Einspritzdüse 122 zum Einspritzen eines Brennstoffes mündet .
Weiterhin ist der Arbeitskammer 62 eine Auslassöffnung 124 in dem Gehäuse 12 zugeordnet, durch die das verbrannte und zuvor expandierte Verbrennungsgemisch ausgestoßen wird .
In der Einlassöffnung 118 und in der Auslassöffnung 124 ist jeweils ein Ventil 126 bzw. 128 angeordnet, um die Einlassöffnung 118 bzw. die Auslassöffnung 124 freizugeben oder zu verschließen . Die Ventile 126 , 128 sind als Drehküken-Ventile mit elektrischem oder elektronisch gesteuertem 90°-Antrieb 130 bzw. 132 ausgebildet . In Fig . 11 sind die Ventile 126 und 128 in ihrer Schließstellung dargestellt, und durch Verdrehen der Ventile 126 bzw. 128 um 90 ° werden sie in ihre Öffnungsstellung gebracht . Es versteht sich, dass die Ventile 126 und 128 beim Betrieb der Schwenkkolbenmaschine 10 nur wechselweise und nicht gleichzeitig geöffnet werden, aber gleichzeitig geschlossen sein können .
Der Arbeitskämmer 64 sind in entsprechender Weise eine Zündkerze 134 , eine Einlassöffnung 136 mit Luftzufuhrrohr 138 und Einspritzdüse 140 , ein Ventil 142 mit Antrieb 144 sowie eine Auslassöffnung 146 mit Ventil 148 und Antrieb 150 zugeordnet .
Es versteht sich, dass anstelle von Drehküken-Ventilen auch klassische federvorgespannte Tulpenventile , die über eine Nockenwelle gesteuert werden, oder auch axial öffnende Magnetventile verwendet werden können.
Nachfolgend wird mit Bezug auf Fig . 2 - 5 sowie 6 - 9 die Kinematik der Schwenkkolbenmaschine 10 beschrieben .
In Fig . 2 und 6 ist das Volumen der ( oberen) Arbeitskammer 62 minimal , das Volumen der (unteren) Arbeitskammer 64 ist maximal .
Ausgehend von Fig . 2 hat sich in Fig . 3 die Welle 66 um die Drehachse 68 im Gegenuhrzeigersinn um 90 ° gedreht, während sich die Welle 86 um die Drehachse 68 in entgegengesetzte Richtung, d. h . im Uhrzeigersinn, um 90° gedreht hat . Dabei hat sich das Volumen der Arbeitskammer 62 vergrößert, und das Volumen der Arbeitskammer 64 hat sich gegenüber Fig . 2 verkleinert, indem die Kolben 24 und 26 eine Schwenkbewegung um die Schwenkachse 28 , veranlasst durch entsprechende Drehungen der Rotorelemente 70 und 84 auf den Rückseiten der Kolben 24 und 26 , ausgeführt haben. Die Schwenkachse 28 bzw. der Achszapfen 32 haben sich währenddessen ebenfalls verlagert, d. h. in der durch die Schwenkachse 28 und durch die Drehachse 68 aufgespannte Ebene in der Fig . 3 bzw. in Fig . 7 im Uhrzeigersinn verschwenkt .
Nach einer weiteren Drehung der Wellen 66 und 86 um 90 ° gemäß Fig . 4 und 8 sind die Kolben 24 und 26 in ihre gegenüber Fig. 2 und 5 entgegengesetzte Schwenklage verschwenkt , in der das Volumen der Arbeitskammer 62 maximal , und das Volumen der Arbeitskammer 64 minimal ist . Die Schwenkachse 28 bzw. der Achszapfen 32 sind wieder in ihre Ausgangsstellung gemäß Fig. 2 und 5 zurückgeschwenkt .
Bei einer weiteren Drehung der Wellen 66 und 86 um die Drehachse 68 um weitere 90 ° gemäß Fig. 5 und 9 wurden die Kolben 24 und 26 wieder in Richtung auf ihre Ausgangslage hin zurück verschwenkt, so dass sich die Arbeitskammer 62 wieder verkleinert und die Arbeitskammer 64 wieder vergrößert hat. Die Schwenkach.se 28 hat sich dabei nunmehr entgegen dem Uhrzeigersinn um die Gehäusemitte verschwenkt .
Eine weitere Drehung der Wellen 66 und 86 um 90° führt wieder zu dem Ausgangszustand gemäß Fig . 2 und 6.
Die gegensinnige Drehung der Wellen 66 und 86 führt zu einer Rotation der Welle 104 mit konstanter Drehrichtung.
In Fig. 14a) - h ) sind acht aufeinanderfolgende Arbeitstakte in den Arbeitskammern 62 und 64 dargestellt .
In Fig. 14a ) ist die Sσhwenkkolbenmaschine 10 zu einem Zeitpunkt dargestellt, bei dem in der Arbeitskammer 62 der Verdich- tungsvorgang gerade abgeschlossen ist bzw. der Vorgang des Expandierens ( nach erfolgter Zündung) gerade beginnt .
In der Arbeitskammer 64 ist demgegenüber der Arbeitstakt des Ansaugens gerade abgeschlossen, und der Vorgang des Verdichtens beginnt gerade .
Alle Ventile 126 , 128 , 142 , 148 sind geschlossen .
In Fig . 14b ) ist die Schwenkkolbenmaschine 10 in einem Zeitpunkt dargestellt, bei dem in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Expandierens zu 50 % und in der Arbeitskammer 64 der Verdichtungsvorgang zu 50 % erfolgt sind. Die Ventile sind weiterhin geschlossen .
In Fig . 14c) ist die Schwenkkolbenmaschine 10 in einem Zeitpunkt dargestellt, bei dem in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Expandierens vollständig abgeschlossen ist und der Vorgang des Ausstoßens gerade beginnt , während in der Arbeitskammer 64 der Vorgang des Verdichtens vollständig abgeschlossen und der Vorgang des Expandierens ( Zündung) gerade beginnt .
Während bei den Arbeitsabläufen gemäß Fig. 14a ) und b) alle Ventile 126 , 128 , 142 , 148 geschlossen sind, ist das (Aus- lass- ) Ventil 128 nun geöffnet, die übrigen Ventile 126 , 142 und 148 sind weiterhin geschlossen .
Im nächsten Arbeitstakt gemäß Fig . 14d) ist in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Ausstoßens zu 50 % und in der Arbeitskammer 64 der Vorgang des Expandierens zu 50 % abgelaufen . Das Ventil 128 ist dabei weiterhin geöffnet, alle anderen Ventile sind geschlossen .
In Fig . 14e ) ist nun in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Ausstoßens zu 100 % abgeschlossen und das Ventil 128 entsprechend wieder geschlossen . In der Arbeitskammer 62 beginnt nun wieder der Vorgang des Ansaugens . In der Arbeitskammer 64 ist der Vorgang des Expandierens zu 100 % abgeschlossen , und es beginnt der Vorgang des Ausstoßens . Nunmehr ist das ( Ein- lass- ) Ventil 126 (Ärbeitskammer 62 ) geöffnet, ebenso das (Aus- lass-)Ventil 148 (Ärbeitskammer 64 ) . Die beiden anderen Ventile sind geschlossen .
Fig . 14f ) zeigt die Schwenkkolbenmaschine 10 zu einem Zeitpunkt, bei dem in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Ansaugens zu 50 % (Ventil 126 weiterhin offen ) und in der Ärbeitskammer 64 der Vorgang des Ausstoßens (Ventil 148 weiterhin offen) zu 50 % abgelaufen sind.
Gemäß Fig. 14g) ist nun in der Ärbeitskammer 62 der Vorgang des Ansaugens vollständig abgelaufen (Ventil 126 wieder geschlossen ) und in der Arbeitskaromer 64 ist der Vorgang des Ausstoßens vollständig abgelaufen (Ventil 148 wieder geschlossen) , während dort der Vorgang des Ansaugens beginnt (Ventil 142 wird geöffnet) .
In Fig . 14h) ist in der Arbeitskammer 62 der Vorgang des Ver- dichtens zu 50 % und in der Ärbeitskammer 64 der Vorgang des Ansaugens zu 50 % (Ventil 142 weiterhin offen) erfolgt . Danach ergibt sich wieder der Zustand, wie er in Fig. 14a) dargestellt ist .
Insgesamt haben die Wellen 66 und 86 im Ablauf von Fig . 14a) - 14h) und wieder zu Fig. 14a ) eine Drehung von jeweils 720 ° ausgeführt .
In Fig . 13 ist eine Schwenkkolbenmaschinenanordnung 200 dargestellt, die aus zwei in Reihe geschalteten Schwenkkolbenmaschi- nen 10 und 10 ' gebildet ist, wobei die Schwenkkolbenmaschine 10 ' identisch zu der Schwenkkolbenmaschine 10 gemäß Fig. 1 - 12 ausgebildet ist .
Die beiden Schwenkkolbenmaschinen 10 und 10 ' sind jedoch hinsichtlich der Phasenlage der Kolben 24 und 26 bzw. 24 ' und 26 " nicht gleichphasig, sondern die Phasenlage der Kolben 24 ' , 26 ' ist in Bezug auf die Phasenlage der Kolben 24 , 26 um 180 ° versetzt. Die Ankopplung der Schwenkkolbenmaschinen 10 und 10 ' aneinander erfolgt über eine Getriebeanordnung 202 , die als Kegelradgetriebe ausgebildet ist . Dabei ist die Welle 66 der Schwenkkolbenmaschine 10 drehfest mit einem Kegelrad 204 verbunden und die Welle 86 mit einem Kegelrad 205. Die Welle 86 ' ist mit einem Kegelrad 206 drehfest verbunden, während die Welle 86 ' mit einem Kegelrad 207 verbunden ist. Mit den Kegelrädern 204 und 206 kämmt ein Stirnrad 208 , das mit einer gemeinsamen Antriebs- bzw. Abtriebswelle 210 der Schwenkkolbenma- schinenanordnung 200 drehfest verbunden ist . Mit den Kegelrädern 205 und 207 kämmt ein Stirnrad 203 , das ebenfalls mit der Abtriebswelle 210 verbunden ist . Durch die Aneinanderreihung zweier Schwenkkolbenmaschinen 10 und 10 ' mit entsprechender Phasenverschiebung der Kolbenstellungen wird erreicht, dass stets in zumindest einer der Schwenkkolbenmaschinen 10 und 10 ' ein Arbeitsereignis stattfindet, d . h . ein Vorgang des Expandierens des gezündeten Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt .
In Fig . 15a ) - h ) sind den Fig. 14a ) - h) entsprechende Arbeitsstellungen der Schwenkkolbenmaschinen 10 und 10 ' dargestellt .
Gemäß Fig. 15a) ist in der Arbeitskammer 62 der Schwenkkolbenmaschine 10 der Vorgang des Verdichtens vollständig abgeschlossen, es erfolgt Zündung und der Vorgang des Expandierens beginnt . In der Arbeitskammer 64 der Schwenkkolbenmaschine 10 ist der Vorgang des Ansaugens vollständig abgeschlossen, es beginnt der Vorgang des Verdichtens .
Demgegenüber ist in der Arbeitskammer 62 ' der Schwenkkolbenma- sσhine 10 ' der Vorgang des Ausstoßens vollständig abgeschlossen, es beginnt der Vorgang des Ansaugens .
In der Arbeitskammer 64 ' der Schwenkkolbenmaschine 10 ' ist der Vorgang des Expandierens vollständig abgeschlossen, es beginnt der Vorgang des Ausstoßens .
Ausgehend von Fig . 15a ) ergeben sich die weiteren Arbeitstakte gemäß den Fig. 15b) - 15h ) analog zu dem Arbeitstaktschema in Fig . 14 ( s . Tabelle 1 im Anhang) . Auch die Ventilstellungen ergeben sich analog zu der Beschreibung der Fig . 14a ) - 14h) . Es versteht sich, dass nicht nur zwei Schwenkkolbenmaschinen zu einer Schwenkkolbenmaschinenanordnung gekoppelt werden können, sondern es können auch drei oder noch mehr Schwenkkolbenmaschinen entsprechend miteinander gekoppelt werden .
Tabelle 1
K)
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Claims

Patentansprüche
1. Schwenkkolbenmaschine , mit einem Gehäuse ( 12 ) , das eine kugelförmige Gehäuseinnenwand ( 18 ) aufweist, mit zumindest einem im Gehäuse ( 12 ) angeordneten Kolben ( 24 ) , der um eine durch die Gehäusemitte gehende Schwenkachse ( 28 ) verschwenkbar ist, wobei der zumindest eine Kolben ( 24 ) mit einer um eine ebenfalls durch die Gehäusemitte gehende Drehachse ( 68 ) drehbaren Welle ( 66 ) derart in Wirkverbindung steht , dass der zumindest eine Kolben ( 24 ) bei rotierender Welle ( 66 ) hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführt , und wobei eine zumindest erste sich radial zur Gehäuseinnenwand ( 18 ) erstreckende Fläche ( 54 ) auf einer Vorderseite des zumindest eines Kolbens ( 24 ) zumindest eine erste Arbeitskammer ( 62 ) begrenzt, wobei auf einer Rückseite des zumindest eines Kolbens ( 24 ) ein mit der Welle ( 66 ) drehfest verbundenes außerhalb der Gehäusemitte angeordnetes Rotorelement ( 70 ) angeordnet ist , wobei die Rückseite des zumindest einen Kolbens ( 24 ) zumindest eine kreisförmige , nicht radial gerichtete Lauffläche ( 74 ) definiert, entlang der das Rotorelement ( 70 ) bei drehender Welle ( 66 ) läuft und die mit der Drehachse ( 68 ) einen Winkel von ≠ 90 ° bildet, wobei in dem Gehäuse ( 12 ) ein zweiter Kolben ( 26 ) angeordnet ist , der um dieselbe Schwenkachse ( 28 ) wie der erste Kolben ( 24 ) verschwenkbar ist, wobei die Schwenkbewegungen des ersten und des zweiten Kolbens ( 24 , 26 ) gegensinnig sind, und dem zweiten Kolben ( 26 ) ein zweites Rotorelement ( 84 ) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rotorelement ( 84 ) mit einer zweiten Welle ( 86 ) drehfest verbunden ist, die um dieselbe Drehachse ( 68 ) wie die erste Welle ( 66 ) , jedoch ge- gensinnig zu dieser dreht , und dass die beiden Kolben ( 24 , 26 ) nicht um die Drehachse ( 68 ) umlaufen .
2. Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch I 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement ( 70 ) ebenfalls zumindest eine der Rückseite des zumindest einen Kolbens ( 24 ) zugewandte kreisförmige Lauffläche aufweist, die auf der zumindest einen kreisförmigen Lauffläche ( 74 ) des zumindest einen Kolbens ( 24 ) abläuft .
3. Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Lauffläche ( 74 ) an einem der Gehäuseinnenwand ( 18 ) nahe liegenden Rand der Rückseite des zumindest einen Kolbens ( 24 ) vorhanden ist .
4. Sσhwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement ( 70 ) auf der zumindest einen kreisförmigen Lauffläche ( 74 ) des zumindest einen Kolbens ( 24 ) über ein Leichtlauflager ( 76 ) gelagert ist .
5. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement ( 70 ) unmittelbar mit der Welle ( 66 ) verbunden ist .
6. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement ( 70 ) im Wesentlichen in Form einer Kugelkappe ausgebildet ist , deren gewölbte Seite der Gehäuseinnenwand ( 18 ) zugewandt ist, wobei die Kugelkappe mit der Welle ( 66 ) bezüglich ihres Kappenpols außermittig verbunden ist .
7. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6 , dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement ( 70 ) über ein Leichtlauflager, insbesondere Kugellager ( 78 ) , flieh- kraftseitig gegen die Gehäuseinnenwand ( 18 ) gelagert ist.
8. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kolben ( 24 ) auf seiner Vorderseite eine weitere sich radial zur Gehäuseinnenwand ( 18 ) erstreckende Fläche ( 56 ) aufweist, die mit der ersten Fläche ( 54 ) einen Winkel von weniger als 180 ° einschließt, wobei die weitere Fläche ( 56 ) eine zweite Arbeitskammer ( 64 ) begrenzt, die von der ersten Arbeitskammer ( 62 ) getrennt ist .
9. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8 , dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kolben ( 24 ) im Schnitt quer zur Schwenkachse ( 28 ) etwa die Form eines Dreiecks aufweist .
10. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schwenkachse ( 28 ) des zumindest einen Kolbens ( 24 ) durch einen Aσhszapfen ( 32 ) gebildet ist , auf dem der zumindest eine Kolben ( 24 ) gelagert ist, wobei der Achszapfen ( 32 ) im Gehäuse ( 12 ) beweglich angeordnet ist, so dass er bei rotierender Welle ( 66 ) eine hin- und hergehende Schwenkbewegung in einer Ebene ausführen kann, die durch die Schwenkachse ( 28 ) und die Drehachse ( 68 ) aufgespannt wird .
11. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10 , dadurch gekennzeichnet , dass der zweite Kolben ( 26 ) zusam- men mit dem ersten Kolben ( 24 ) die erste Arbeitskammer ( 62 ) und ggf . die zweite Arbeitskammer ( 64 ) begrenzt .
12. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben ( 26 ) bezüglich einer Ebene quer zur Drehachse ( 68 ) und parallel zur Schwenkachse ( 28 ) spiegelsymmetrisch zu dem ersten Kolben ( 24 ) in dem Gehäuse angeordnet ist .
13. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle ( 86 ) durch die erste Welle ( 66 ) durchgeführt ist , wobei die erste Welle ( 66 ) und die zweite Welle ( 86 ) endseitig über eine Getriebeanordnung ( 102 ) , vorzugsweise ein Kegelradgetriebe , mit einer dritten Welle ( 104 ) verbunden sind.
14. Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 10 und 13 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Welle ( 86 ) am Gehäusemittelpunkt eine Kugel ( 88 ) aufweist, die in einer kugelförmigen Aufnahme im Achszapfen ( 32 ) gelagert ist.
15. Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Welle ( 66 ) und ggf . der zweiten Welle ( 86 ) ein Massenausgleichelement ( 112 , 114 ) angeordnet ist, um die asymmetrische Massenverteilung des ersten und ggf . des zweiten Rotorelements ( 70 , 84 ) bezüglich der Drehachse ( 68 ) auszugleichen.
16. Schwenkkolbenmaschinenanordnung, mit einer ersten Schwenkkolbenmaschine ( 10 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und mit zumindest einer zweiten Schwenkkolbenmasσhine ( 10 ' ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 , die mit der ersten Schwenkkolbenmaschine ( 10 ) in Reihe angeordnet verbunden ist .
17. Schwenkkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 16 , dadurch gekennzeichnet , dass die erste Schwenkkolbenmaschine ( 10 ) und die zweite Schwenkkolbenmaschine ( 10 ' ) eine relativ zueinander um einen vorbestimmten Winkel , vorzugsweise 180 ° , versetzte Phasenlage der Kolbenarbeitsstellungen aufweisen .
18. Schwenkkolbenmaschinenanordnung nach Anspruch 16 oder 17 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Schwenkkolbenmaschine ( 10 , 10 ' ) über eine Getriebeanordnung ( 202 ) , vorzugsweise ein Kegelradgetriebe , miteinander verbunden sind.
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