WO2011035753A1 - Expansionsmaschine - Google Patents

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WO2011035753A1
WO2011035753A1 PCT/DE2010/000933 DE2010000933W WO2011035753A1 WO 2011035753 A1 WO2011035753 A1 WO 2011035753A1 DE 2010000933 W DE2010000933 W DE 2010000933W WO 2011035753 A1 WO2011035753 A1 WO 2011035753A1
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piston
cam
expansion machine
control shaft
stroke
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English (en)
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Inventor
Andreas Werler
Original Assignee
Iav Gmbh Ingenieurgesellschaft Auto Und Verkehr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B9/00—Engines characterised by other types of ignition
    • F02B9/06—Engines characterised by other types of ignition with non-timed positive ignition, e.g. with hot-spots
    • F02B9/08—Engines characterised by other types of ignition with non-timed positive ignition, e.g. with hot-spots with incandescent chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/06—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/08—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft with ratchet and pawl

Definitions

  • the invention relates to an expansion machine with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • the linear thrust of the piston is converted to torque via a connecting rod and a crankshaft.
  • a connecting rod with one end of a rocker arm, while the other end of the rocker arm is fixedly disposed on the outer ring of the freewheel shaft.
  • the outer ring is connected to an inner shaft via, for example, pinch rollers, wherein the pinch rollers produce or release a connection between the outer ring depending on the direction of rotation.
  • the disadvantage is a complex and difficult to control technology for changing the lifting and compression chamber of the internal combustion engine.
  • the invention has for its object to provide an expansion machine with a freewheel shaft for converting the linear thrust of the piston into a torque, with the simple means and with a low construction cost adjustment of the stroke speed of the piston and the piston stroke can be made.
  • Rocking lever is connected to a freewheel and in which the linear thrust force of the piston is converted by the freewheel in a torque, the control of the lifting movement of the piston takes place via a cam arranged on a control shaft.
  • the cam has two differently shaped cam profiles, which are connected via the rocker arm with the connecting rod of the piston in operative connection. Due to the different cam profiles of the cam on the one hand, the lifting speed and the piston stroke are set and on the other hand ensures the leadership of the rocker arm on the cam.
  • On the control shaft a plurality of cams with different cam profiles are axially displaceable arranged such that for adjusting the piston stroke and the piston speed of the rocker arm in each case with a differently shaped cam can be brought into engagement.
  • the advantage of the solution according to the invention is that is reduced by the arrangement of the connecting rod in conjunction with the rocker arm and the freewheel to convert the stroke of the piston in a rotational movement of the required space compared to the use of a crankshaft to convert the lifting movement into a rotary motion.
  • the connection of the connecting rod with the oscillating lever ensures that during the stroke movement of the piston and in the case of the piston Bound power transmission of the piston force on the connecting rod to the rocker arm, the connecting rod is only slightly displaced from the axial position.
  • the connecting rod mainly only needs to transmit compressive forces, whereby the torque transmission is reduced to a minimum.
  • Another essential advantage of the solution according to the invention is that the piston stroke and the piston stroke speed can be adjusted in accordance with the engine conditions by means of the control shaft and the cams which can be axially displaced thereon. It is also possible that one or more cylinders, a cylinder shutdown can be performed in which a cam is brought into engagement with the rocker arm, the two cam profiles correspond only to the base circle of the cam. In such a cylinder deactivation, the advantage is that the respective rocker arm, the respective connecting rod and the associated piston are not moved. The deactivated cylinder thus does no compression work and there is no additional friction.
  • Fig. 1 a sectional view of the solution according to the invention, in which the
  • Piston of the expansion machine is located at top dead center of the cylinder and
  • Fig. 2 an illustration of the solution according to the invention, in which the piston of the expansion machine is in the bottom dead center of the cylinder.
  • the solution according to the invention is described for an expansion machine, which is designed as an internal combustion engine or as a steam engine and which consists of one or more working cylinders. It is also possible that, in particular in steam engines in a cylinder 2, two pistons 1 are arranged.
  • FIG. 1 shows a cylinder 2 of an expansion machine is shown schematically, in which a piston 1 is arranged axially displaceable.
  • a piston 1 is arranged axially displaceable.
  • the piston 1 is at top dead center TDC while in Figure 2, the piston 1 is shown in the bottom dead center UT.
  • a connecting rod 3 which is pivotally connected to one end of a rocking lever 4.
  • the other end of the rocker arm 4 is fixedly connected to an outer ring of a freewheel 5.
  • the freewheel 5 consists in a known manner from the outer ring, which is connected via pinch rollers with a freewheel shaft. Depending on the direction of rotation, the pinch rollers make a connection between the outer ring and the freewheel shaft or release the connection, so that the oscillating movement of the oscillating lever 4 is converted by the freewheel 5 into a rotating movement of the freewheel shaft as a result of the lifting movement of the piston 1. After the operating principle of a ratchet is converted by the freewheel 5, the linear thrust of the piston 1 in a torque that can be removed for further drive on the freewheel inner shaft.
  • first cam profile 6 via a arranged on the rocker arm 4 first roller 8 and the second cam profile 12 of the cam 13 via a arranged on the rocker arm 4 second roller 7 in operative connection with the rocker arm 4.
  • the two differently shaped cam profiles 6 and 12 are arranged directly next to each other and are connected by a common base circle 10 with each other.
  • the common basic circle 10 and the two different cam profiles 6 and 12 form the total on the control shaft 11 rotatably arranged cam 13th
  • the cam profile 6 of the cam 13 is formed such that via the contact of the roller 8 of the rocker arm 4 with the cam profile 6, the lifting speed of the piston 1 in the cylinder 2 and the piston stroke 9 is realized.
  • the design of the cam profile 6 defines the top dead center OT and the bottom dead center UT of the piston 1 in the cylinder 2.
  • the formation of the cam profile 2 and the arrangement of the roller 7 on the cam profile 12 is such that during the lifting movement of the piston 1 a continuous contact of the roller 7 with the cam profile 2 and the roller 8 with the cam profile 6 is ensured.
  • cam profiles 6 and 12 are formed so that during a movement of the piston 1 between the respective dead centers and thereby carried out pivoting movements of the rocker arm 4, the control shaft 1 is rotated via the non-rotatably connected to the control shaft cam 13 in a rotary motion.
  • the direction of rotation of the control shaft 11 is indicated by an arrow.
  • control shaft is connected to an engine starting device, not shown.
  • the control shaft 11 is rotated and by the contact of the rocker arm 4 via the roller 8 with the cam profile 6, the piston 1 is set in stroke movement.
  • the control shaft 11 and the cylinder synchronism is produced.
  • the drive of a camshaft for actuating the gas exchange valves of the expansion machine via the control shaft 11, the drive of ancillaries of the expansion machine, such as an oil pump, a water pump balancing shafts or the like, are performed.
  • the rocking lever 4 with different cams 13 can be brought into engagement.
  • the respective cams 13 have various cam profiles 6 and 12 of a similar design, with which the different piston speeds and piston strokes 9 can be realized.
  • the cams 3 are non-rotatably but axially displaceably arranged on the control shaft 1. Switching from the first cam 13, which is operatively connected to the oscillating lever 4, to a second cam 13, whose cam profiles 6 and 12 are differently formed with respect to the first cam 13, takes place when the rollers 7 and 8 are each connected to the common base circle 10 2, this situation is illustrated, in which the rollers 7 and 8 simultaneously touch the base circle 10.
  • a cylinder deactivation of one or more cylinders 2 takes place in such a way that the oscillating levers 4 of the cylinders 2 to be switched off can each be brought into engagement with a cam 13 whose cam profiles 6 and 12 correspond to the base circle 10.
  • By rolling the rollers 7 and 8 only on the base circle 10 no pivoting movements are transmitted from the control shaft 1 to the rocker arm 4, whereby the piston 1 also performs no strokes in the cylinder 2.
  • the pros Part of this cylinder shutdown is that the piston 1 no longer has to do any compression work. In addition, there is no friction between the piston 1 and cylinder 2 in the cylinder deactivation.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine mit einem in einem Zylinder axial beweglichen Kolben, der über ein Pleuel und einen Schwinghebel mit einem Freilauf zur Umwandlung der linearen Schubkraft des Kolbens in ein Drehmoment verbunden ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsmaschine mit einer Freilaufwelle zur Umwandlung der linearen Schubkraft des Kolbens in ein Drehmoment zu schaffen, mit der mit einfachen Mitteln und bei einem geringen Bauaufwand eine Verstellung der Hubgeschwindigkeit des Kolbens und des Kolbenhubs vorgenommen werden kann. Erfindungsgemäß erfolgt die Steuerung der Hubbewegung des Kolbens über einen auf einer Steuerwelle angeordneten Nocken. Der Nocken besitzt zwei unterschiedlich ausgebildete Nockenprofile, die über den Schwinghebel mit dem Pleuel des Kolbens in Wirkverbindung stehen. Durch die unterschiedlichen Nockenprofile des Nockens werden einerseits die Hubgeschwindigkeit und der Kolbenhub eingestellt und andererseits die Führung des Schwinghebels an dem Nocken gewährleistet. Auf der Steuerwelle sind mehrere Nocken mit unterschiedlichen Nocken profilen axial verschiebbar derart angeordnet, dass zur Einstellung des Kolbenhubes und der Kolbengeschwindigkeit der Schwinghebel jeweils mit einem unterschiedlich ausgebildeten Nocken in Eingriff bringbar ist.

Description

Expansionsmaschine
Die Erfindung betrifft eine Expansionsmaschine mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen.
Bei Expansionsmaschinen mit einem in einem Zylinder hin- und hergehenden Kolben wird die lineare Schubkraft des Kolbens über ein Pleuel und eine Kurbelwelle in ein Drehmoment umgewandelt. Zur Verringerung der dabei auftretenden Reibung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand der Expansionsmaschine und zur Verringerung der auftretenden Lagerbelastungen durch die Kurbelwelle ist es bekannt, die lineare Bewegung des Kolbens durch eine Freilaufwelle in eine Drehbewegung umzuwandeln. Dabei ist der Kolben gelenkig über ein Pleuel mit einem Ende eines Schwinghebels verbunden, während das andere Ende des Schwinghebels fest an dem Außenring der Freilaufwelle angeordnet ist. Der Außenring steht über beispielsweise Klemmrollen mit einer Innenwelle in Verbindung, wobei die Klemmrollen dreh- richiungsabhängig eine Verbindung zwischen dem Außenring herstellen oder freigeben. Durch die schwingende Bewegung des Schwinghebels wird durch den Freilauf die lineare Hubbewegung des Kolbens in eine drehende Bewegung der Innenwelle des Freilaufs umgewandelt. Das bedeutet, dass die lineare Schubkraft des Kolbens in ein Drehmoment umgeformt wird, das zum Antrieb von der Welle abgenommen werden kann. Derartige Expansionsmaschinen, deren Kolben über ein Pleuel und einen Schwinghebel mit einer Freilaufwelle zur Umwandlung der linearen Schubkraft des Kolbens in ein Drehmoment verbunden sind, sind beispielsweise aus der DE 31 09 908 A1 und der DE 2040 868 A1 bekannt.
Aus der DE 44 44 555 A1 ist ein Verbrennungsmotor bekannt, bei dem die Pleuelstange eines Kolbens jeweils an einem Ende eines zweiseitigen Schwinghebels gelagert ist. Der Schwinghebel ist fest mit einer Welle verbunden, die wiederum mit einer Freilaufwelle verbunden ist. Die Welle, an der die Schwinghebel befestigt sind, ist in Hubrichtung der Kolben beweglich auf Schraubenfedern gelagert. Durch einen höheren Druck im Verbrennungsraum infolge einer größeren Motorbelastung wird die Welle über die Pleuel und die Schwinghebel heruntergedrückt, so dass eine lastabhängige Veränderung des Hub- und Verdichtungsraumes erfolgt. Eine Verstellung der Welle und damit des Hub- und Verdichtungsraumes kann auch durch eine hydraulische Hubeinrichtung erfolgen.
Nachteilig ist eine aufwendige und schwer zu beherrschende Technik zur Veränderung des Hub- und Verdichtungsraumes der Brennkraftmaschine.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Expansionsmaschine mit einer Freilaufwelle zur Umwandlung der linearen Schubkraft des Kolbens in ein Drehmoment zu schaffen, mit der mit einfachen Mitteln und bei einem geringen Bauaufwand eine Verstellung der Hubgeschwindigkeit des Kolbens und des Kolbenhubs vorgenommen werden kann.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Bei einer Expansionsmaschine, bei der ein Kolben über ein Pleuel und einen
Schwinghebel mit einem Freilauf verbunden ist und bei der die lineare Schubkraft des Kolbens durch den Freilauf in ein Drehmoment umgewandelt wird, erfolgt die Steuerung der Hubbewegung des Kolbens über einen auf einer Steuerwelle angeordneten Nocken. Der Nocken besitzt zwei unterschiedlich ausgebildete Nockenprofile, die über den Schwinghebel mit dem Pleuel des Kolbens in Wirkverbindung stehen. Durch die unterschiedlichen Nockenprofile des Nockens werden einerseits die Hubgeschwindigkeit und der Kolbenhub eingestellt und andererseits die Führung des Schwinghebels an dem Nocken gewährleistet. Auf der Steuerwelle sind mehrere Nocken mit unterschiedlichen Nockenprofilen axial verschiebbar derart angeordnet, dass zur Einstellung des Kolbenhubes und der Kolbengeschwindigkeit der Schwinghebel jeweils mit einem unterschiedlich ausgebildeten Nocken in Eingriff bringbar ist.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Anordnung des Pleuels in Verbindung mit dem Schwinghebel und dem Freilauf zur Umwandlung der Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung der benötigte Bauraum gegenüber dem Einsatz einer Kurbelwelle zur Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewegung verringert wird. Durch die Verbindung des Pleuels mit dem Schwinghebel wird erreicht, dass bei der Hubbewegung des Kolbens und bei der damit ver- bundenen Kraftübertragung der Kolbenkraft über das Pleuel auf den Schwinghebel das Pleuel nur geringfügig aus der axialen Lage verdrängt wird. Dadurch muss das Pleuel hauptsächlich nur Druckkräfte übertragen, wodurch die Momentenübertragung auf ein Minimum reduziert wird. Durch die Verringerung einer Schrägstellung des Pleuels während der Hubbewegung des Kolbens wird gleichzeitig die Reibung des Kolbens an der Zyiinderinnenwand reduziert. Ein weiterer Vorteil der Momentenübertragung durch die Freilaufwelle besteht darin, dass durch den Freilauf bei einem Motorschubbetrieb die Steuerwelle und der Kolben nicht durch die Freilaufwelle mit geschleppt werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass durch die Steuerwelle und den darauf axial verschiebbaren Nocken der Kolbenhub und die Kolbenhubgeschwindigkeit entsprechend den Motorbedingungen eingestellt werden kann. Dabei besteht auch die Möglichkeit, dass für ein oder mehrere Zylinder eine Zylinderabschaltung durchgeführt werden kann, in dem ein Nocken mit dem Schwinghebel in Eingriff gebracht wird, dessen beide Nockenprofile nur dem Grundkreis des Nockens entsprechen. Bei einer derartigen Zylinderabschaltung besteht der Vorteil darin, dass der jeweilige Schwinghebel, das jeweilige Pleuel und der dazugehörige Kolben nicht bewegt werden. Der abgeschaltete Zylinder leistet somit keine Verdichtungsarbeit und es entsteht keine zusätzliche Reibung.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 : eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Lösung, bei der sich der
Kolben der Expansionsmaschine im oberen Totpunkt des Zylinders befindet und
Fig. 2: eine Darstellung der erfindungsgemäßen Lösung, bei der sich der Kolben der Expansionsmaschine im unteren Totpunkt des Zylinders befindet. Die erfindungsgemäße Lösung wird beschrieben für eine Expansionsmaschine, die als Verbrennungsmotor oder als Dampfmotor ausgebildet ist und die aus einem oder mehreren Arbeitszylindern besteht. Dabei ist es auch möglich, dass insbesondere bei Dampfmotoren in einem Zylinder 2 zwei Kolben 1 angeordnet sind.
In der Figur 1 ist schematisch ein Zylinder 2 einer Expansionsmaschine dargestellt, in der ein Kolben 1 axial verschiebbar angeordnet ist. Entsprechend eines eingestellten Kolbenhubes 9 wird dabei der Kolben 1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT bewegt, in der Figur 1 befindet sich der Kolben 1 am oberen Totpunkt OT während in Figur 2 der Kolben 1 in der unteren Totpunktlage UT dargestellt ist.
An dem Kolben 1 ist in üblicherweise ein Pleuel 3 angelenkt, der gelenkig mit einem Ende eines Schwinghebels 4 verbunden ist. Das andere Ende des Schwinghebels 4 ist fest mit einem Außenring eines Freilaufs 5 verbunden. Der Freilauf 5 besteht in bekannter Weise aus dem Außenring, der über Klemmrollen mit einer Freilaufwelle in Verbindung steht. Die Klemmrollen stellen drehrichtungsabhängig eine Verbindung zwischen dem Außenring und der Freilaufwelle her oder geben die Verbindung frei, so dass die schwingende Bewegung des Schwinghebels 4 infolge der Hubbewegung des Kolbens 1 durch den Freilauf 5 in eine drehende Bewegung der Freilaufwelle umgewandelt wird. Nach dem Wirkprinzip einer Ratsche wird durch den Freilauf 5 die lineare Schubkraft des Kolbens 1 in ein Drehmoment umgewandelt, das zum weiteren Antrieb an der Freilaufinnenwelle abgenommen werden kann.
Zur Steuerung der Hubbewegung des Kolbens 1 steht erfindungsgemäß der
Schwinghebel 4 mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofilen 6 und 12 eines auf einer Steuerwelle 11 angeordneten Nockens 13 in Wirkverbindung. Dabei steht das erste Nockenprofil 6 über eine an dem Schwinghebel 4 angeordnete erste Rolle 8 und das zweite Nockenprofil 12 des Nockens 13 über eine an dem Schwinghebel 4 angeordnete zweite Rolle 7 in Wirkverbindung mit dem Schwinghebel 4. Die beiden unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofile 6 und 12 sind unmittelbar nebeneinander liegend angeordnet und werden durch einen gemeinsamen Grundkreis 10 miteinander verbunden. Der gemeinsame Grundkreis 10 und die beiden unter- schiedlichen Nockenprofile 6 und 12 bilden insgesamt den auf der Steuerwelle 11 drehfest angeordneten Nocken 13.
Das Nockenprofil 6 des Nockens 13 ist derart ausgebildet, dass über den Kontakt der Rolle 8 des Schwinghebels 4 mit dem Nockenprofil 6 die Hubgeschwindigkeit des Kolbens 1 im Zylinder 2 und der Kolbenhub 9 realisiert wird. Gleichzeitig wird durch die Gestaltung des Nockenprofils 6 der obere Totpunkt OT und der untere Totpunkt UT des Kolbens 1 im Zylinder 2 festgelegt. Die Ausbildung des Nockenprofils 2 und die Anordnung der Rolle 7 am Nockenprofil 12 erfolgt so, dass während der Hubbewegung des Kolbens 1 ein ständiger Kontakt der Rolle 7 mit dem Nockenprofil 2 und der Rolle 8 mit dem Nockenprofil 6 gewährleistet wird. Außerdem sind die Nockenprofile 6 und 12 so ausgebildet, dass bei einer Bewegung des Kolbens 1 zwischen den jeweiligen Totpunkten und den dabei durchgeführten Schwenkbewegungen des Schwinghebels 4 die Steuerwelle 1 über den mit der Steuerwelle drehfest verbundenen Nocken 13 in eine Drehbewegung versetzt wird. In den Zeichnungen ist die Drehrichtung der Steuerwelle 11 mit einem Pfeil gekennzeichnet.
Bei einer Abwärtsbewegung des Kolbens 1 vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT wird durch die Schwenkbewegung des Schwinghebels 4 und die darüber eingeleitete Kraft auf den Nocken 13, insbesondere über die Rolle 8 auf das Nockenprofil 6, der Nocken 13 und somit die Steuerwelle verdreht. In Figur 1 ist diese Ausgangssituation dargestellt. Bei einer Aufwärtsbewegung des Kolbens 1 vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT wird durch die Schwenkbewegung des Schwinghebels 4 und die darüber über die Rolle 7 auf das Nockenprofil 12 eingeleiteten Kräfte der Nocken 13 und somit die Steuerwelle 11 verdreht. In der Figur 2 ist diese Situation dargestellt.
Zum Start der Expansionsmaschine wird die Steuerwelle mit einer nicht dargestellten Motorstartvorrichtung verbunden. Über die Motorstartvorrichtung wird die Steuerwelle 11 in Drehung gebracht und durch den Kontakt des Schwinghebels 4 über die Rolle 8 mit dem Nockenprofil 6 wird der Kolben 1 in Hubbewegung versetzt. Durch die Steuerwelle 11 wird auch die Zylindersynchronität hergestellt. Außerdem erfolgt über die Steuerwelle 11 der Antrieb einer Nockenwelle zur Betätigung der Gaswechselventile der Expansionsmaschine. Durch die Steuerwelle 11 kann auch gleichzeitig der Antrieb von Nebenaggregaten der Expansionsmaschine, wie beispielsweise einer Ölpumpe, einer Wasserpumpe der Ausgleichswellen oder dergleichen, durchgeführt werden.
Zur Realisierung von unterschiedlichen Hubgeschwindigkeiten des Kolbens 1 im Zylinder 2 und von unterschiedlichen Kolbenhüben 9 ist der Schwinghebel 4 mit unterschiedlichen Nocken 13 in Eingriff bringbar. Die jeweiligen Nocken 13 weisen ver- schiedenenartig ausgebildete Nockenprofile 6 und 12 auf, mit denen die unterschiedlichen Kolbengeschwindigkeiten und Kolbenhübe 9 zu realisieren sind. In den Figuren ist nur ein Nocken 13 dargestellt. Die Nocken 3 sind drehfest, aber axial verschiebbar auf der Steuerwelle 1 angeordnet. Die Umschaltung von dem mit dem Schwinghebel 4 in Wirkverbindung stehenden ersten Nocken 13 auf einen zweiten Nocken 13, dessen Nockenprofile 6 und 12 gegenüber dem ersten Nocken 13 unterschiedlich ausgebildet ist, erfolgt dann, wenn die Rollen 7 und 8 jeweils mit dem gemeinsamen Grundkreis 10 der Nockenprofile 6 und 12 in Wirkverbindung stehen, (n der Figur 2 ist diese Situation dargestellt, bei der die Rollen 7 und 8 gleichzeitig den Grundkreis 10 berühren. In dieser Stellung werden mit einem an sich bekannten Ak- tuator die Nocken 13 auf der Steuerwelle axial verschoben, so dass der Schwinghebel 4 über die Rollen 7 und 8 mit neuen Nockenprofilen 6 und 12 in Eingriff steht. Bei einer mehrzylindrigen Expansionsmaschine, bei der jedem Zylinder 2 ein Schwinghebel 4 zugeordnet ist, können durch entsprechende Aktuatoranordnungen für nur einen oder für mehrere Zylinder 2 gleichzeitig oder nacheinander eine Veränderung der Hubgeschwindigkeit und/oder des Kolbenhubs 9 durch Verschiebung der Nocken 13 durchgeführt werden. Durch die variable Einstellung der Kolbenhubbewegung ist es möglich, eine an die Motorbedingungen angepasste Verdichtung einzustellen.
Eine Zylinderabschaltung von einem oder mehreren Zylindern 2 erfolgt derart, dass die Schwinghebel 4 der abzuschaltenden Zylinder 2 jeweils mit einem Nocken 13 in Eingriff bringbar sind, dessen Nockenprofile 6 und 12 dem Grundkreis 10 entsprechen. Durch das Abrollen der Rollen 7 und 8 nur auf dem Grundkreis 10 werden von der Steuerwelle 1 auf den Schwinghebel 4 keine Schwenkbewegungen übertragen, wodurch der Kolben 1 auch keine Hubbewegungen im Zylinder 2 ausführt. Der Vor- teil dieser Zylinderabschaltung besteht darin, dass der Kolben 1 keine Verdichtungsarbeit mehr leisten muss. Außerdem entsteht bei der Zylinderabschaltung keine Reibung zwischen Kolben 1 und Zylinder 2.
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen
1 Kolben
2 Zylinder
3 Pleuel
4 Schwinghebel
5 Freilauf
6 Nockenprofil
7 Rolle
8 Rolle
9 Kolbenhub
10 Grundkreis
11 Steuerwelle
12 Nockenprofil
13 Nocken
OT oberer Totpunkt
UT unterer Totpunkt

Claims

Patentansprüche
1. Expansionsmaschine mit einem in einem Zylinder (2) axial beweglichen Kolben (1), der über ein Pleuel (3) und einen Schwinghebel (4) mit einem Freilauf (5) zur Umwandlung der linearen Schubkraft des Kolbens (1) in ein Drehmoment verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Steuerung der Hubbewegung des Kolbens (1 ) der Expansionsmaschine der Schwinghebel (4) mit zwei unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofilen (6; 12) eines auf einer Steuerwelle (11) angeordneten Nockens (13) in Wirkverbindung steht.
2. Expansionsmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf der Steuerwelle (11) für jeden Zylinder (2) mehrere Nocken (13) mit jeweils unterschiedlich ausgebildeten Nockenprofilen (6; 12) axial verschiebbar angeordnet sind, die zur Einstellung einer Hubgeschwindigkeit des Kolbens (1) und eines Kolbenhubes (9) der Expansionsmaschine mit dem Schwinghebel (4) in Wirkverbindung bringbar sind.
3. Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Einstellung eines Nullhubes des Kolbens (1) der Schwinghebel (4) mit einem Nocken (13) in Wirkverbindung bringbar ist, dessen Nockenprofil (6) und (12) dem des Grundkreises (10) des Nockens (13) entspricht.
4. Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Schwinghebel (4) über eine Rolle (7) mit dem Nockenprofil (12) und über eine Rolle (8) mit dem Nockenprofil (6) eines Nockens (13) in Verbindung steht.
5. Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebes der Expansionsmaschine die Steuerwelle (11 ) durch die Schwingbewegung des Schwinghebels (4) angetrieben wird.
Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die für jeden Zylinder (2) zugeordneten Nocken (13) für jeden Zylinder (2) einzeln oder für mehrere Zylinder (2) gemeinsam auf der Steuerwelle (11 ) axial verschiebbar sind.
Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerwelle (11) mit einer Motorstartvorrichtung in Eingriff bringbar ist.
Expansionsmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerwelle (11) mit einer Nockenwelle und anderen Hilfsaggregaten, wie beispielsweise einer Ölpumpe, in Wirkverbindung steht.
PCT/DE2010/000933 2009-09-24 2010-08-03 Expansionsmaschine WO2011035753A1 (de)

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