WO2009106216A1

WO2009106216A1 - Rotationskolbenmaschine

Info

Publication number: WO2009106216A1
Application number: PCT/EP2009/000860
Authority: WO
Inventors: Herbert Huettlin
Original assignee: Herbert Huettlin
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-07
Publication date: 2009-09-03
Also published as: DE102008012374A1; EP2255070A1; CN101990593A; DE102008012374B4

Abstract

Eine Rotationskolbenmaschine weist ein Gehäuse (12) auf, in dem zumindest ein erster Kolben (22) angeordnet ist, der um eine gehäusefeste Drehachse (30) umlaufen kann, und der beim Umlaufen um die Drehachse (30) hin- und hergehende Bewegungen zwischen einer drehachsennahen Endstellung und einer drehachsenfernen Endstellung ausführt, um eine an eine der Drehachse (30) zugewandte Endfläche (38) des Kolbens (22) angrenzende Arbeitskammer (34) periodisch zu verkleinern und zu vergrößern, wobei die Drehachse (30) durch die Arbeitskammer (34) verläuft, wobei der Kolben (22) ein Steuerlauforgan (70) aufweist, das beim Umlaufen des Kolbens (22) um die Drehachse (30) entlang einer gehäusefesten Steuerkurve (66) läuft, um die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens (22) aus der Umlaufbewegung abzuleiten, und wobei der Kolben (22) in einer Aufnahme eines Kolbenkäfigs (50) angeordnet ist, mit dem der Kolben (22) in Bezug auf die Drehachse (30) drehfest verbunden ist und der gemeinsam mit dem Kolben (22) um die Drehachse (30) umläuft. Der Kolben (22) weist zusätzlich zu dem Steuerlauforgan (70) in Bezug auf die Drehachse (30) fliehkraftseitig ein Stützlauforgan (88) auf, dessen Lauffläche (108) sich bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens (22) entlang einer Innenseite des Kolbenkäfigs (50) abwälzt, wobei die Bewegungsrichtung des Stützlauforgans (88) und die Drehachse (30) in einer gemeinsamen Ebene liegen.

Description

Rotationskolbenmaschine

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein erster Kolben angeordnet ist, der um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen kann, und der beim Umlaufen um die Drehachse hin- und hergehende Bewegungen zwischen einer drehachsennahen Endstellung und einer drehachsenfernen Endstellung ausführt, um eine an eine der Drehachse zugewandte Endfläche des Kolbens angrenzende Arbeitskammer periodisch zu verkleinern und zu vergrößern, wobei die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft, wobei der Kolben ein Steuerlauforgan aufweist, das beim Umlaufen des Kolbens um die Drehachse entlang einer gehäusefesten Steuerkurve läuft, um die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens aus der Umlaufbewegung abzuleiten, und wobei der Kolben in einer Aufnah- me eines Kolbenkäfigs angeordnet ist, mit dem der Kolben in Bezug auf die Drehachse drehfest verbunden ist, und der gemeinsam mit dem Kolben um die Drehachse umläuft.

Eine solche Rotationskolbenmaschine ist aus DE 10 2006 009 197 Al bekannt.

Eine Rotationskolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann als Brennkraftmaschine (Verbrennungsmotor), als Pumpe oder als Kompressor verwendet werden. Eine Rotationskolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Brennkraftmaschine verwendet und als solche in der vorliegenden Beschreibung beschrieben.

Im Falle der Verwendung einer Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine werden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens eines Brennstoff-Luft-Gemisches und Ausstoßens des verbrannten Brennstoff-Luft- Gemisches durch hin- und hergehende Bewegungen des zumindest einen Kolbens zwischen zwei Endstellungen vermittelt.

Die aus dem eingangs genannten Dokument bekannte Rotationskolbenmaschine weist in ihrem Gehäuse insgesamt vier Kolben auf. Die vier Kolben sind in einem Kolbenkäfig in jeweiligen Aufnahmen angeordnet, wobei der Kolbenkäfig mit den Kolben gemeinsam um die gehäusefeste Drehachse umläuft. Zwischen jeweils der Drehachse zugewandten Endflächen zweier gegenüberliegender Kolben ist jeweils eine Arbeitskammer vorhanden, die zentrisch zur Drehachse angeordnet ist. Die bekannte Rotationskolbenmaschine weist entsprechend zwei Arbeitskammern auf, die beide auf der Drehachse liegen.

Unter der Drehachse ist sowohl bei der bekannten Rotationskolbenmaschine als auch bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine eine geometrische Achse zu verstehen. Jeweils zwei Kolben, zwischen denen sich eine Arbeitskammer befindet, bilden ein Kolbenpaar. Die Kolben eines Kolbenpaars führen beim Umlaufen um die Drehachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen zwischen einer drehachsennahen Endstellung der Kolben, die auch als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet wird, und einer drehachsenfernen Endstellung, die auch als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet wird, aus. In der OT-Stellung der Kolben eines Kolbenpaars ist das Volumen der dazwischen liegenden Arbeitskammer minimal und in der UT-Stellung der Kolben eines Kolbenpaars ist das Volumen der zwischen den Kolben befindlichen Arbeitskammer maximal.

Um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben aus der Umlaufbewegung der Kolben um die Drehachse abzuleiten, weist jeder Kolben auf seiner Rückseite, d.h. seiner Seite, die von der zugehörigen Arbeitskammer abgewandt ist, ein Steuerlauforgan auf. Die Steuerlauforgane der Kolben desselben Kolbenpaars laufen dabei entlang einer gehäusefesten Steuerkurve eines Kurvengliedes, die sich vollumfänglich um die Drehachse herum erstreckt und eine entsprechende Kontur aufweist, um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben aus deren Umlaufbewegung um die Drehachse abzuleiten.

Jedem Kolben der bekannten Rotationskolbenmaschine ist ferner ein Rückführungsorgan zugeordnet, um die Rückführung der Kolben aus der OT-Stellung in die UT- Stellung bei hohen Drehzahlen zu unterstützen. Das jeweilige Rückführorgan jedes Kolbens läuft in einer der Steuerkurve für das Steuerlauforgan benachbarten Steuerkurve, wobei die beiden Steuerkurven im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.

Das Steuerlauforgan jedes einzelnen Kolbens ist als Laufrolle ausgebildet, deren Rotationsachse beim Umlauf des Kolbens mit der Drehachse einen veränderlichen Schnittpunkt bildet, wobei auch hier unter Rotationsachse eine geometrische Achse zu verstehen ist. Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine hat sich bei höheren Drehzahlen der Nachteil herausgestellt, dass die Kolben bei der Bewegung von der drehachsennahen Endstellung in die drehachsenferne Endstellung nicht nur mit ihrem jeweiligen Lauforgan die Steuerkurve berühren, sondern auch mit einem Kolbenkörperabschnitt das Kurvenglied berühren, wodurch zwischen diesem Kolbenkörperabschnitt und dem Kurvenglied eine Gleitreibung auftritt. Aber auch zwischen dem Kolben und der Aufnahme im Kolbenkäfig tritt eine Gleitreibung auf. Diese Gleitreibung wird umso größer, je höher die Drehzahl der Umlaufbewegung der Kolben um die Drehachse ist, weil die mit zunehmender Drehzahl zunehmenden radialen Fliehkräfte, die auf die Kolben wirken, den zuvor genannten Kolbenkörperabschnitt zunehmend gegen das Kurvenglied drücken.

Weder die Lauforgane der Kolben selbst noch die zusätzlich vorgesehenen Rückführorgane der bekannten Rotationskolbenmaschine können diese fliehkraftbedingte erhöhte flächige Gleitreibung verhindern. Durch die bei höheren Drehzahlen erhöhte Reibung leidet die bekannte Rotationskolbenmaschine entsprechend unter Leistungsverlusten und erhöhtem Verschleiß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Leistungsverluste und Verschleiß aufgrund einer fliehkraftbedingten Gleitreibung der Kolben vermieden oder zumindest verringert werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Rotationskolbenmaschine dadurch gelöst, dass der Kolben zusätzlich zu dem Steuerlauforgan in Bezug auf die Drehachse fliehkraftseitig ein Stützlauforgan aufweist, dessen Lauffläche sich bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens entlang einer Innenseite des Kolbenkäfigs abwälzt, wobei die Bewegungsrichtung des Stützlauforgans und die Drehachse in einer gemeinsamen Ebene liegen. Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine weist der zumindest eine Kolben somit nicht nur ein Steuerlauforgan auf, das dazu dient, die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens aus der Umlaufbewegung des Kolbens um die Drehachse abzuleiiejι,_s_ondern zusätzlich ein Stützlauforgan, das nicht der Steuerung der hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens dient, sondern der fliehkraft- seitigen wälzgelagerten Abstützung an der Innenseite des Kolbenkäfigs. Der gesamte Bewegungshub des Kolbens von der drehachsennahen Endstellung bis zur drehachsenfernen Endstellung ist auf diese Weise nicht mehr gleitreibungsbehaftet, sondern nur noch rollreibungsbehaftet. Eine Rollreibung ist gegenüber einer Flächenreibung deutlich geringer und führt somit zu deutlich geringeren Leistungsverlusten und gegenüber Verschleiß der Rotationskolbenmaschine.

Das Stützlauforgan ist an dem Kolben so angeordnet, dass die Bewegungsrichtung des Stützlauforgans und die Drehachse, um die der Kolben in dem Gehäuse umläuft, in einer gemeinsamen Ebene liegen. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Kolben stets zur Fliehkraftseite hin an dem Kolbenkäfig über das Stützlauforgan abgestützt ist. Da der Kolbenkäfig zusammen mit dem Kolben um die Drehachse umläuft, tritt zwischen dem Stützlauforgan und der Innenseite des Kolbenkäfigs, an der sich das Stützlauforgan abwälzt, keine Reibung quer zur Laufbahn des Stützlauforgans auf.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Stützlauforgan als Laufrolle ausgebildet, deren Rotationsachse senkrecht zur Drehachse der Umlaufbewegung des Kolbens gerichtet ist.

Während das Stützlauforgan auch in Form einer Kugel ausgebildet sein kann, die in allen Raumrichtungen frei drehbar auf der Rückseite des Kolbens in einer Kugelpfanne gelagert sein kann, hat die Ausgestaltung des Stützlauforgans als Laufrolle den Vorteil, dass die Abwälzung des Stützlauforgans an der Innenseite des Kolbenkäfigs, wenn die Rotationsachse des Stützlauforgans senkrecht zur Drehachse der Umlaufbewegung des Kolbens gerichtet ist, wohldefiniert ist und reibungserhöhende Gleiteffekte, wie dies bei einer nicht um eine definierte Rotationsachse drehenden Kugel der Fall ist, vermieden werden. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuerlauforgan als Laufrolle ausgebildet, deren Rotationsachse in jeder Stellung des Kolbens zwischen der drehachsennahen und der drehachsenfernen Endstellung die Drehachse an demselben Punkt innerhalb des Gehäuses schneidet.

Diese Maßnahme stellt eine weitere Verbesserung gegenüber der bekannten Rotationskolbenmaschine dar. Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine ist das Steuerlauforgan zwar ebenfalls als Laufrolle ausgebildet, jedoch verändert sich bei der bekannten Rotationskolbenmaschine die Ausrichtung der Rotationsachse der Laufrolle in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens zwischen der drehachsennahen und der drehachsenfernen Endstellung. Bei der bekannten Rotationskolbenmaschine führt dies dazu, dass die Laufrolle des Steuerlauforgans durch Kräfte beaufschlagt wird, die schräg zu ihrer Rotationsachse gerichtet sind und die das Laufrollenlager der Laufrolle übermäßig belasten und im ungünstigsten Fall sogar blockieren können.

Bei der zuvor genannten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rotationskolbenmaschine werden diese nachteiligen Effekte vermieden, indem die Rotationsachse der Laufrolle in jeder Stellung des Kolbens zwischen der drehachsennahen und der drehachsenfernen Endstellung vorzugsweise radial auf den Gehäusemittelpunkt gerichtet ist.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Laufrolle des Stützlauforgans in einem Lager in der Laufrolle des Steuerlauforgans angeordnet, wobei die Rotationsachse der Laufrollen des Stützlauforgan und des Steuerlauforgans senkrecht zueinander stehen.

Der Vorteil dieser Maßnahme besteht in einer besonders platzsparenden Anordnung des Stützlauforgans und des Steuerlauforgans an dem Kolben. Das Lager der Laufrolle des Steuerlauforgans ist dabei entsprechend als Hohlkörper ausgebildet, der die Laufrolle des Stützlauforgans aufnimmt, wobei nur ein äußerer Umfang der Laufrolle des Stützlauforgans vorsteht, der als Lauffläche zum Abwälzen entlang der Innenseite des Kolbenkäfigs dient.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens Schwenkbewegungen um eine zur Drehachse senkrechte Schwenkachse, und eine Berührlinie der Lauffläche des Steuerlauforgans mit der Steuerkurve ist in jeder Stellung des Kolbens auf den Schnittpunkt der Schwenkachse mit der Drehachse ausgerichtet.

Bei dieser Ausgestaltung ist im Falle der Ausgestaltung des Kolbens als Schwenkkolben vorteilhafterweise gewährleistet, dass die Lauffläche des Steuerlauforgans in jeder Stellung des Kolbens in Normalenrichtung zur Steuerkurve steht und hierdurch ein Schräglauf des Stützlauforgans entlang der Steuerkurve vermieden wird. Es entsteht somit eine vollkommene Parallelität der Laufrichtung des Steuerlauforgans zur Steuerkurve.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolbenkäfig für das Stützlauforgan des Kolbens einen in Umlaufrichtung um die Drehachse gesehen schmalen und in Richtung der Drehachse gesehen länglichen Fortsatz auf, der sich in Richtung zur drehachsenfernen Endstellung des Stützlauforgans des Kolbens erstreckt.

Hierbei ist nicht nur von Vorteil, dass das Stützlauforgan über seinen Laufweg von der drehachsennahen Endstellung bis in die drehachsenfernen Endstellung stets nur mit der Innenseite des Kolbenkäfigs in Berührung steht, nicht jedoch mit dem Kurvenglied, an dem die Steuerkurve ausgebildet ist, sondern durch die schmale und damit begrenzte Ausbildung des Fortsatzes wird auch die Masse des Kolbenkäfigs nicht nennenswert erhöht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind auf der Innenseite des Kolbenkäfigs, entlang der das Stützlauforgan läuft, seitliche Führungen für das Stützlauforgan ausgebildet. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der Kolben noch besser gegen ein Verkippen senkrecht zur Laufbahn des Stützlauforgans, oder mit anderen Worten in Umlaufrichtung des Kolbens um die Drehachse geschützt ist.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung 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.

Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Rotationskolbenmaschine im perspektivischen Längsschnitt entlang einer die Drehachse enthaltenden Ebene;

Figur 2 einen gegenüber Figur 1 vergrößerten Teil der Rotationskolbenmaschine in Figur 1, der sich auf die Kolben, den Kolbenkäfig und das Kurvenglied bezieht, in einem Längsschnitt wie in Figur 1;

Figur 3 eine mit Figur 2 vergleichbare Darstellung, wobei jedoch die Kolben nicht im Schnitt dargestellt sind;

Figur 4 eine mit Figur 2 vergleichbare Darstellung der Anordnung aus Kolbenkäfig, Kolben und Kurvenglied, wobei jedoch die Kolben in einer gegenüber Figur 2 und 3 anderen Endstellung gezeigt sind; Figuren 5 a) und b) einen einzelnen Kolben der Rotationskolbenmaschine in Figur 1, wobei Figur 5a) den Kolben in einer perspektivischen Darstellung und Figur 5b) den Kolben im Längsmittelschnitt zeigt;

Figur 6 eine perspektivische Darstellung der Anordnung der Kolben zusammen mit dem Kurvenglied, das die Steuerkurve aufweist, wobei das Kurvenglied im Längsmittelschnitt gezeigt ist;

Figur 7 eine perspektivische Darstellung des Kurvenglieds in Alleinstellung im

Längsmittelschnitt;

Figur 8 eine perspektivische Darstellung des Kolbenkäfigs in Alleinstellung;

Figur 9 den Kolbenkäfig in Figur 8 im Längsmittelschnitt; und

Figuren 10a) und b) zwei Schnittansichten eines Ausschnitts des Kolbenkäfigs im Bereich eines Fortsatzes des Kolbenkäfigs zur Führung eines Stützlauforgans eines der Kolben, wobei Figur 10a) den Ausschnitt ohne Kolben und Figur 10b) den Ausschnitt mit Kolben zeigt.

In Figur 1 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Rotationskolbenmaschine dargestellt. Weitere Einzelheiten der Rotationskolbenmaschine 10 sind in Figuren 2 bis 10 gezeigt.

Die Rotationskolbenmaschine 10 ist allgemein als Brennkraftmaschine ausgelegt, kann jedoch bei entsprechenden Modifikationen auch als Pumpe oder als Kompressor verwendet werden. Die Rotationskolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das einen Mittelabschnitt 14 von kugelförmiger Gestalt und Stirndeckel 16 und 18 aufweist. Das Gehäuse 12 weist einen Innenraum 20 auf, der kugelsymmetrisch ausgebildet ist.

Gemäß Figuren 1 bis 3 sind in dem Gehäuse 12 insgesamt vier Kolben 22, 24, 26 und 28 angeordnet, wobei der Kolben 28 in der Darstellung von Figuren 1 und 2 vor der Zeichenebene liegt und daher nur in der perspektivischen Darstellung in Figur 3 zu sehen ist.

Im Betrieb der Rotationskolbenmaschine 10 laufen die Kolben 22, 24, 26 und 28 in dem Gehäuse 12 gemeinsam um eine gehäusefeste Drehachse 30 um. Die Drehachse 30 ist hier als geometrische Achse zu verstehen. Die Umlaufrichtung der Kolben 22, 24, 26 und 28 um die Drehachse 30 ist in Figur 1 mit einem Pfeil 32 veranschaulicht. Die Drehachse 30 geht durch den Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12 hindurch.

Die Drehachse 30 ist gehäusefest, worunter hier zu verstehen ist, dass sich die Lage der Drehachse 30 während des Umlaufens der Kolben 22, 24, 26 und 28 nicht verändert.

Von den Kolben 22, 24, 26 und 28 bilden die Kolben 22 und 24 ein erstes Kolbenpaar und die Kolben 26 und 28 ein zweites Kolbenpaar. Das aus den Kolben 26 und 28 gebildete Kolbenpaar ist bezüglich der Drehachse 30 gegenüber dem aus den Kolben 22 und 24 gebildeten Kolbenpaar um 90° um die Drehachse 30 versetzt angeordnet, wie insbesondere auch aus Figur 6 hervorgeht, in der die Anordnung der vier Kolben perspektivisch dargestellt ist.

Jedes Kolbenpaar definiert eine Arbeitskammer, und zwar die Kolben 22 und 24 eine Arbeitskammer 34 und die Kolben 26 und 28 eine Arbeitskammer 36 (siehe Figur 2). Unabhängig von der Umlaufstellung der Kolben 22, 24, 26 und 28 um die Drehachse 30 geht die als geometrische Achse zu verstehende Drehachse 30 stets durch die Arbeitskammern 34 und 36 hindurch.

Die Arbeitskammer 34 wird durch der Drehachse 30 zugewandte Endflächen 38 und 40 der Kolben 22 und 24 begrenzt. Die Arbeitskammer 36 wird entsprechend durch der Drehachse 30 zugewandte Endflächen 42 (Kolben 26) und 44 (Kolben 28) begrenzt (siehe Figur 4).

In den Arbeitskammern 34 und 36 finden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens eines Brennstoff-Luft-Gemisches, Verdichten dieses Gemisches, Zünden des Gemisches, Expandieren des gezündeten Gemisches und Ausstoßen des verbrannten Gemisches statt. Zu diesem Zweck vergrößern und verkleinern sich die Arbeitskammern 34 und 36 periodisch, und zwar in dem gezeigten Ausführungsbeispiel vergrößern und verkleinern sich die Arbeitskammern 34 und 36 gleichsinnig zueinander. Dennoch sind die zuvor genannten einzelnen Arbeitstakte in den beiden Arbeitskammern 34 und 36 um zwei Takte phasenverschoben, d.h. während beispielsweise in der Arbeitskammer 34 der Arbeitstakt des Verdichtens des Brennstoff-Luft- Gemisches stattfindet, findet in der Arbeitskammer 36 der Arbeitstakt des Ausstoßens von verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch statt, usw.

Um die Arbeitskammern 34 und 36 während des Umlaufens der Kolben 22, 24 und 28 periodisch zu vergrößern und zu verkleinern, führen die Kolben 22, 24, 26 und 28 während ihrer Umlaufbewegung um die Drehachse 30 hin- und hergehende Bewegungen zwischen einer drehachsennahen Endstellung, die in Figuren 1 bis 3 beispielsweise dargestellt ist, und einer drehachsenfernen Endstellung aus, wie beispielsweise in Figur 4 dargestellt ist. Die drehachsennahe Endstellung der Kolben 22, 24, 26 und 28 gemäß Figuren 1 bis 3 wird auch als oberer Totpunkt (OT) und die drehachsenferne Endstellung der Kolben 22, 24, 26 und 28 gemäß Figur 4 wird auch als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet. Die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und 28 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Schwenkbewegungen. Die Kolben 22, 24 führen beim Umlaufen um die Drehachse 30 Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse 46 aus, die die Drehachse etwa im Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12 senkrecht schneidet. Die Kolben 26 und 28 führen entsprechende Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse 48 (siehe Figur 2) aus, die die Drehachse 30 etwa im Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12 senkrecht schneidet und außerdem zur Schwenkachse 46 senkrecht verläuft.

Bevor der Steuermechanismus beschrieben wird, mit dem die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und 28 aus ihrer Umlaufbewegung um die Drehachse 30 abgeleitet wird, wird zunächst mit Bezug auf Figuren 2 bis 4 sowie 8 und 9 ein Kolbenkäfig 50 (Figur 8) näher beschrieben, in dem die Kolben 22, 24, 26 und 28 aufgenommen sind. Der Kolbenkäfig 50 ist ein Rotor, der zusammen mit den Kolben 22, 24, 26 und 28 um die Drehachse 30 umläuft. Die Kolben 22, 24, 26 und 28 sind mit dem Kolbenkäfig 50 entsprechend in Bezug auf die Drehachse 30 drehfest verbunden, können jedoch relativ zu diesem ihre Schwenkbewegungen ausführen.

Gemäß Figuren 8 und 9 ist der Kolbenkäfig 50 in Richtung der Drehachse 30 aus zwei Hälften 52 und 54 zusammengefügt, die entlang einer Fügelinie 56 lösbar miteinander verbunden sind, beispielsweise sind die Hälften 52 und 54 des Kolbenkäfigs 50 mittels Schrauben miteinander fest verbunden. Gemäß Figur 4 weist die Hälfte 52 des Kolbenkäfigs 50 eine zylindrische oder leicht bogenförmig gekrümmte Bohrung 58 zur Aufnahme der Kolben 22 und 24 auf. In der Bohrung 58 führen die Kolben 22 und 24 zueinander gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei die im Querschnitt im Wesentlichen runden Kolben 22 und 24 in der Bohrung 58 gleitend geführt sind. Die Wand der Bohrung 58 zwischen den Endflächen 38 und 40 der Kolben 22 und 24 bildet entsprechend die umfängliche Begrenzung der Arbeitskammer 34. Da die Kolben 22 und 24 in der Bohrung 58 Schwenkbewegungen ausführen, sind die Kolben 22 und 24 nicht zylindrisch ausgebildet, sondern rohrbogenförmig. Gemäß Figur 2 ist in der zweiten Hälfte 54 des Kolbenkäfigs 50 eine zylindrische Bohrung 60 ausgebildet, in der die Kolben 26 und 28 aufgenommen sind. Die zylindrischen Bohrungen 58 und 60 des Kolbenkäfigs 50 sind entsprechend der Anordnung der Kolben 22, 24, 26 und 28 wie oben beschrieben in Bezug auf die Drehachse 30 um 90° zueinander versetzt. Auch die Kolben 26 und 28 sind wie die Kolben 22 und 24 rohrbogenförmig mit rundem Querschnitt ausgebildet. Andere Querschnitte (beispielsweise oval) sind aber ebenfalls denkbar.

Gemäß Figur 1 ist der Kolbenkäfig 50 in dem Gehäuse 12 um die Drehachse 30 drehbar gelagert.

Nachfolgend wird nun der Steuermechanismus beschrieben, mit dem die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und 28 aus ihrer Umlaufbewegung um die Drehachse 30 abgeleitet werden.

Dazu ist in dem Gehäuse 12 gemäß Figur 1 ein Kurvenglied 62 gehäusefest angeordnet. Gehäusefest bedeutet hier, dass das Kurvenglied 62 selbst nicht an der Rotation um die Drehachse 30 teilnimmt, wobei jedoch der Begriff „gehäusefest" auch den Fall einschließt, dass das Kurvenglied 62 lageverstellbar sein kann, beispielsweise, um den Hub der Kolben 22, 24, 26 und 28 zwischen der drehachsennahen Endstellung und der drehachsenfernen Endstellung zu verstellen.

In Figur 7 ist das Kurvenglied 62 in einer perspektivischen Darstellung im Längsmittelschnitt in einer Ebene senkrecht zur Drehachse 30 dargestellt. Das Kurvenglied 62 weist einen um die Drehachse 30 vollumfänglich ausgebildeten Einbauring 64 auf, über den das Kurvenglied 62 in das Gehäuse 12 eingebaut ist. Das Kurvenglied 62 weist - vorzugsweise einstückig an den Einbauring 64 angeformt - eine Steuerkurve 66, die den Kolben 22 und 24 zugeordnet ist, und eine Steuerkurve 68 auf, die den Kolben 26 und 28 zugeordnet ist (siehe auch Figuren 2 und 4). Die Steuerkurven 66 und 68 erstrecken sich ebenfalls vollumfänglich um die Drehachse 30 und besitzen eine wellige Kontur mit Bergen und Tälern in Bezug auf die Drehachse 30, um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24 bzw. 26 und 28 aus ihrer Umlaufbewegung um die Drehachse 30 abzuleiten.

Die Steuerkurven 66 und 68 sind dabei symmetrisch zum Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12 angeordnet und stehen somit im Wesentlichen orthogonal auf der Drehachse 30.

Jeder der Kolben 22, 24, 26 und 28 weist ein Steuerlauforgan auf, das beim Umlaufen des jeweiligen Kolbens 22, 24, 26 und 28 um die Drehachse 30 entlang der Steuerkurve 66 bzw. 68 läuft.

Wie beispielsweise in Figur 2 zu sehen ist, weist der Kolben 22 ein Steuerlauforgan 70 und der Kolben 24 ein Steuerlauforgan 72 auf, und gemäß Fig. 4 weist der Kolben 26 ein Steuerlauforgan 74 und der Kolben 28 ein Steuerlauforgan 76 auf.

Die Ausgestaltung der Steuerlauforgane 70, 72, 74, 76 ist untereinander identisch, so dass nachfolgend nur die Ausgestaltung des Steuerlauforgans 70 des Kolbens 22 näher beschrieben wird.

In Figur 5a) und b) ist der Kolben 22 in Alleinstellung dargestellt, wobei zusätzlich auf Figur 2 Bezug genommen wird.

Das Steuerlauforgan 70 ist als Laufrolle 78 ausgebildet, die um eine Rotationsachse 80 drehbar gelagert ist. Dabei ist die Laufrolle 78 an einer Lagerhülse 82, die bezüglich der Rotationsachse 80 drehfest ist, gelagert und so mit dem Kolben 22 verbunden. Das Steuerlauforgan 70 befindet sich an dem Kolben 22 auf einer Rückseite, die der Endfläche 38, die im eingebauten Zustand des Kolbens 22 der Arbeitskammer 34 zugewandt ist, abgewandt ist. Die Laufrolle 78 weist eine Lauffläche 84 auf, die gemäß Figur 2 entlang der Steuerkurve 66 des Kurvenglieds 62 läuft. Beim Entlanglaufen der Lauffläche 84 dreht sich die Laufrolle 78 um die Rotationsachse 80. Wie aus Figur 2 hervorgeht, ist die Rotationsachse 80 in Bezug auf den Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12 radial ausgerichtet, und ist insbesondere auf die Schwenkachse 46, um die der Kolben 22 verschwenkt, ausgerichtet bzw. schneidet diese. Die Rotationsachse 80 schneidet die Drehachse 30 unabhängig von der Stellung des Kolbens 22 bezüglich der Schwenkachse 46 stets am selben Punkt der Drehachse 30.

Die Lauffläche 84 ist konisch und dabei so ausgerichtet, dass eine Berührlinie 86 (Figur 2) der Lauffläche 84 der Laufrolle 78 mit der Steuerkurve 66 in jeder Stellung des Kolbens 22 auf den Schnittpunkt der Schwenkachse 46 mit der Drehachse 30 ausgerichtet ist, d.h. auf den Kugelmittelpunkt des Innenraums 20 des Gehäuses 12. Hierdurch wird gewährleistet, dass es zwischen der Laufrolle 78 und der Steuerkurve 66 nicht zu einem Schräglauf kommt, so dass auch keine Schrägkräfte auf die Laufrolle 78 wirken.

Die Kolben 22, 24, 26, und 28 weisen jedoch nicht nur jeweils ein Steuerlauforgan auf, dessen Funktion es ist, die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22, 24, 26 und 28 aus ihrer Umlaufbewegung um die Drehachse abzuleiten, sondern zusätzlich zu dem jeweiligen Steuerlauforgan noch ein Stützlauforgan, das nachfolgend näher beschrieben wird.

Gemäß Figur 2 weist der Kolben 22 ein Stützlauforgan 88 und der Kolben 24 ein Stützlauforgan 90 auf, und gemäß Figur 4 weist der Kolben 26 ein Stützlauforgan 92 und der Kolben 28 ein Stützlauf organ 94 auf.

Da die Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 zueinander identisch ausgebildet sind, wird nachfolgend nur das Stützlauforgan 88 des Kolbens 22 mit Bezug auf Figuren 2 und 5 näher beschrieben. Das Stützlauforgan 88 ist als Laufrolle 96 ausgebildet, deren Rotationsachse 98 gemäß Figur 2 senkrecht zur Drehachse 30 gerichtet ist, ohne diese jedoch zu schneiden. Des Weiteren ist die Rotationsachse 98 senkrecht zur Rotationsachse 80 der Laufrolle 78 des Steuerlauforgans 70 gerichtet. Die Laufrolle 96 des Stützlauforgans 88 ist dabei in der Lagerhülse 82 der Laufrolle 78 des Steuerlauforgans 70 gelagert, beispielsweise über ein Nadellager.

Das Stützlauforgan 88, und das Gleiche gilt für die Stützlauforgane 90, 92 und 92 der anderen Kolben 24, 26 und 28, dient zur fliehkraftseitigen Abstützung des Kolbens 22 bzw. der Kolben 24, 26 und 28, wobei diese Abstützung gegen die Innenseite des Kolbenkäfigs 50 erfolgt.

Gemäß Figuren 8 und 9 ist dazu jedem der Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 an dem Kolbenkäfig 50 ein dachartiger Fortsatz 100 (für das Stützlauforgan 88), 102 (für das Stützlauf organ 90) und 106 (für das Stützlauf organ 94) zugeordnet. Ein entsprechender dachartiger Fortsatz 104 für das Stützlauforgan 92 ist in Figur 4 zu sehen. Die Fortsätze 100, 102, 104 und 106 sind in Umlaufrichtung um die Drehachse 30 gesehen schmal ausgebildet und in Richtung der Drehachse 30 gesehen länglich, wobei sich die Fortsätze 100, 102, 104 und 106 in Richtung der drehachsenfernen Endstellung des jeweiligen Kolbens 22, 24, 26 und 28 erstrecken. In Figur 4 ist dies insbesondere für die Stützlauforgane 92 des Kolbens 26 und 94 des Kolbens 28 und die entsprechenden Fortsätze 104 und 106 gezeigt. Figur 4 zeigt die Kolben 26 und 28 in ihrer drehachsenfernen Endstellung, in der die Arbeitskammer 36 maximales Volumen besitzt.

Die Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 wälzen sich dabei auf der Innenseite des jeweiligen Fortsatzes 100, 102, 104 und 106 ab, wobei die dadurch beschriebene Laufbahn des jeweiligen Stützlauforgans 88, 90, 92 und 94 bzw. deren hin- und hergehende Bewegungsrichtung und die Drehachse 30 in einer gemeinsamen Ebene liegen, wie beispielsweise aus Figur 2 und aus Figur 4 hervorgeht. In Figur 2 liegt die momentane Bewegungsrichtung der Stützlauforgane 88 und 90 in der Zeichenebene, in Figur 4 liegt die Bewegungsrichtung der Stützlauforgane 92 und 94 in der Zeichenebene. Da die Kolben 22, 24, 26 und 28 mit dem Kolbenkäfig 50 drehfest verbunden sind, führen die Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 relativ zum Kolbenkäfig 50 nur eine Abwälzbewegung an dem Kolbenkäfig 50 parallel zur Drehachse 30 aus. Da die Kolben 22, 24, 26 und 28 mit dem Kolbenkäfig 50 bezüglich der Drehachse 30 drehfest verbunden sind, sind sie dadurch bereits gegen ein Verkippen in Bezug auf die Drehachse 30 gesichert. Um die Kippstabilität noch zu erhöhen, sind in den dachartigen Fortsätzen 100, 102, 104 und 106 innenseitig seitliche, kufenartige Führungen ausgebildet, an denen das jeweilige Stützlauforgan 88, 90, 92 bzw. 94 seitlich abgestützt ist. In Figur 10a) und b) ist dies für den dachartigen Fortsatz 100 und das Stützlauforgan 88 dargestellt, dessen Lauffläche 108 sich auf der Innenseite des Fortsatzes 100 abwälzt und seitlich durch entsprechende kufenartige Vorsprünge 112 und 114 geführt ist.

Die Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 bewirken zusammen mit den entsprechenden Fortsätzen 100, 102, 104 und 106 des Kolbenkäfigs 50 eine stark verminderte Reibung der Kolben 22, 24, 26 und 28 am Kolbenkäfig 50 und vermeiden eine Gleitreibung an gehäusefesten Teilen, wie dies bei der bekannten Rotationskolbenmaschine auftreten kann. Solche Gleitreibungen am Kolbenkäfig 50 bei der bekannten Rotationskolbenmaschine werden durch die Stützlauforgane 88, 90, 92 und 94 auf eine deutlich geringere Rollreibung reduziert.

Mit Bezug auf Figur 1 weist die Rotationskolbenmaschine 10 ferner in ihrer Ausgestaltung als Brennkraftmaschine für jede Arbeitskammer 34 und 36 jeweils eine Zündkerze 115 bzw. 116 auf, die jeweils stirnseitig durch die Stirndeckel 16 und 18 geführt sind. Der Arbeitskammer 34 ist weiterhin ein Gaseinlassstutzen 118 für Verbrennungsluft und ein Gasauslassstutzen 120 für das Ausstoßen von verbranntem Brennstoff-Luft-Gemisch zugeordnet. Eine entsprechende Anordnung ist auch für die Arbeitskammer 36 vorgesehen.

Die Umlaufbewegung der Kolben 22, 24, 26 und 28 zusammen mit dem Kolbenkäfig 50 um die Drehachse 30 wird auf eine Abtriebswelle 122 übertragen, deren Rotationsbewegung dann beispielsweise zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges genutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche

1. Rotationskolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest ein erster Kolben (22) angeordnet ist, der um eine gehäusefeste Drehachse (30) umlaufen kann, und der beim Umlaufen um die Drehachse (30) hin- und hergehende Bewegungen zwischen einer drehachsennahen Endstellung und einer drehachsenfernen Endstellung ausführt, um eine an eine der Drehachse (30) zugewandte Endfläche (38) des Kolbens (22) angrenzende Arbeitskammer (34) periodisch zu verkleinern und zu vergrößern, wobei die Drehachse (30) durch die Arbeitskammer (34) verläuft, wobei der Kolben (22) ein Steuerlauforgan (70) aufweist, das beim Umlaufen des Kolbens (22) um die Drehachse (30) entlang einer gehäusefesten Steuerkurve (66) läuft, um die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens (22) aus der Umlaufbewegung abzuleiten, und wobei der Kolben (22) in einer Aufnahme eines Kolbenkäfigs (50) angeordnet ist, mit dem der Kolben (22) in Bezug auf die Drehachse (30) drehfest verbunden ist und der gemeinsam mit dem Kolben (22) um die Drehachse (30) umläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (22) zusätzlich zu dem Steuerlauforgan (70) in Bezug auf die Drehachse (30) fliehkraftseitig ein Stützlauforgan (88) aufweist, dessen Lauffläche (108) sich bei der hin- und hergehenden Bewegung des Kolbens (22) entlang einer Innenseite des Kolbenkäfigs (50) abwälzt, wobei die Bewegungsrichtung des Stützlauforgans (88) und die Drehachse (30) in einer gemeinsamen Ebene liegen.

2. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützlauforgan (88) als Laufrolle (96) ausgebildet ist, deren Rotationsachse (98) senkrecht zur Drehachse (30) der Umlaufbewegung des Kolbens (22) gerichtet ist.

3. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuerlauforgan (70) als Laufrolle (78) ausgebildet ist, deren Rotationsachse (80) in jeder Stellung des Kolbens (22) zwischen der drehachsen- nahen und der drehachsenfernen Endstellung die Drehachse (30) an demselben Punkt innerhalb des Gehäuses (12) schneidet.

4. Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufrolle (96) des Stützlauforgans (88) in einem Lager in der Laufrolle (78) des Steuerlauforgans (70) angeordnet ist, wobei die Rotationsachsen (98, 80) der Laufrollen (96, 78) des Stützlauforgans (88) und des Steuerlauforgans (70) senkrecht zueinander stehen.

5. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hin und her gehenden Bewegungen des Kolbens (22) Schwenkbewegungen um eine zur Drehachse (30) senkrechte Schwenkachse (46) sind, und dass eine Berührlinie (86) der Lauffläche (84) des Steuerlauforgans (70) mit der Steuerkurve (66) in jeder Stellung des Kolbens (22) auf den Schnittpunkt der Schwenkachse (46) mit der Drehachse (30) ausgerichtet ist.

6. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkäfig (50) für das Stützlauforgan (88) des Kolbens (22) einen in Umlaufrichtung um die Drehachse (30) gesehen schmalen und in Richtung der Drehachse gesehen länglichen Fortsatz (100) aufweist, der sich in Richtung zur drehachsenfernen Endstellung des Kolbens (22) erstreckt und auf dessen Innenseite das Stützlauforgan (88) läuft.

7. Rotationskolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Innenseite des Kolbenkäfigs (50), entlang der das Stützlauforgan (88) läuft, seitliche Führungen für das Stützlauforgan ausgebildet sind.