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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse,
in dem zumindest ein erster Kolben angeordnet ist, der zwischen
zwei Endstellungen hin- und herbeweglich ist, um eine an eine erste
Endfläche des zumindest einen ersten Kolbens angrenzende
Arbeitskammer periodisch zu vergrößern und zu
verkleinern, wobei der zumindest eine erste Kolben zumindest ein
Führungsglied aufweist, das mit einer an einem in dem Gehäuse
angeordneten Kurvenglied ausgebildeten Steuerkurve in Eingriff steht, wobei
sich das Kurvenglied in dem Gehäuse konzentrisch und vollumfänglich
um eine gehäusefeste Drehachse herum erstreckt und bezüglich
der Drehachse radial außerhalb des Kolbens angeordnet ist.
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Eine
solche Kolbenmaschine ist beispielsweise aus
WO 2006/122658 A1 bekannt.
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Eine
Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung
kann insbesondere als Brennkraftmaschine verwendet werden. In der
vorliegenden Beschreibung wird die Verwendung der Kolbenmaschine
als Brennkraftmaschine als die bevorzugte Verwendung dargestellt.
Andere Einsatzmöglichkeiten einer Kolbenmaschine gemäß der
vorliegenden Erfindung sind jedoch möglich, beispielsweise
die Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor.
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Die
aus dem oben genannten Dokument bekannte Kolbenmaschine ist eine
Rotationskolbenmaschine. In dem Gehäuse der bekannten Kolbenmaschine
sind insgesamt vier Kolben angeordnet, die gemeinsam um eine gehäusefeste
Drehachse umlaufen. Beim gemeinsamen Umlaufen um die Drehachse führen
die vier Kolben hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei jeweils
zwei Kolben, die ein Kolbenpaar bilden, zueinander gegensinnig hin-
und hergehende Bewegungen ausführen, um eine zwischen den
Endflächen der zwei Kolben des Kolbenpaars definierte Arbeitskammer
abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern.
Insgesamt weist die bekannte Rotationskolbenmaschine zwei Arbeitskammern
auf, wobei sich die Arbeitskammern gleichsinnig verkleinern und
vergrößern. Die vier Kolben sind in einem Kolbenkäfig
gleitend gelagert, der zusammen mit den Kolben um die Drehachse
umläuft.
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Im
Wege der periodischen Verkleinerung und Vergrößerung
der Volumina der Arbeitskammern finden im Fall der Verwendung der
bekannten Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine die Arbeitstakte
des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens
statt.
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Die
hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen Kolben werden dabei
aus der Rotation der Kolben um die Drehachse abgeleitet, indem die
Kolben jeweils ein Führungsglied aufweisen, das in einer Steuerkurve
eines gehäusefesten Kurvenglieds läuft, wobei
die Steuerkurve eine entsprechende wellenförmige Konturierung
hat, um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben aus der Rotation
der Kolben um die Drehachse abzuleiten.
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Im
Fall der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine
kann die Rotation des Kolbenkäfigs auf eine Abtriebswelle übertragen
werden, um beispielsweise ein Fahrzeug anzutreiben.
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Weitere
Rotationskolbenmaschinen vergleichbarer Art sind beispielsweise
aus den Dokumenten
DE
10 2005 024 751 A1 oder aus
WO 03/067033 A1 bekannt.
Bei der aus
DE
10 2005 024 751 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine ist
das Kurvenglied unmittelbar in die Innenwand des Gehäuses
integriert, ebenso bei der aus
WO 03/067033 A1 bekannten Rotationskolbenmaschine.
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Bei
den zuvor beschriebenen bekannten Kolbenmaschinen ergibt sich ein
Nachteil daraus, dass die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben, die
für die Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens
und Ausstoßens maßgeblich sind, aus einer Rotation
der Kolben um die Drehachse abgeleitet werden, und dass zwangsläufig
auch der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die Drehachse rotiert.
Durch die Rotation der Kolben um die Drehachse wirken auf diese
Fliehkräfte, die zu fliehkraftbedingten Reibungen zwischen
den Kolbenaußenwänden und der Innenwand des Kolbenrotors
führen, da die Kolben zwar gemeinsam mit dem Kolbenkäfig rotieren,
jedoch relativ zu dem Kolbenkäfig hin- und hergehende Gleitbewegungen
ausführen müssen. Diese hin- und hergehenden Bewegungen
sind aufgrund der Fliehkräfte, die auf die Kolben wirken,
somit reibungsbehaftet. Die auf die Kolben wirkenden Fliehkräfte
beeinträchtigen daher die Laufeigenschaften der bekannten
Kolbenmaschinen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Laufeigenschaften
der Kolbenmaschine verbessert sind.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Kolbenmaschine dadurch
gelöst, dass das Kurvenglied um die Drehachse rotierbar
in dem Gehäuse gelagert ist, während der zumindest
eine erste Kolben nicht um die Dreh achse drehbar ist, so dass der
zumindest eine erste Kolben beim Rotieren des Kurvengliedes um die
Drehachse hin- und hergehende Bewegungen in einer bezüglich
der Drehachse festen Bewegungsebene ausführt.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine löst sich
von dem Konzept der Rotationskolbenmaschinen, indem die hin- und
hergehenden Bewegungen des Kolbens oder der Kolben nicht aus einer
Rotationsbewegung des Kolbens bzw. der Kolben um die Drehachse abgeleitet
werden, sondern aus einer Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse,
während der Kolben oder die Kolben bezüglich der
Drehachse nicht rotiert/rotieren. Fliehkräfte bezüglich
der Drehachse auf den oder die Kolben werden somit ausgeschlossen.
Der zumindest eine erste Kolben führt seine hin- und hergehenden
Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse festen Bewegungsebene
aus, während bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen
die Bewegungsebene der hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen
Kolben ebenfalls um die Drehachse rotiert.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine kommt auch mit
wesentlich weniger rotierenden Teilen als die bekannten Rotationskolbenmaschinen aus,
weil auf die Rotation des oder der Kolben verzichtet wird, und nur
noch das masseärmere Kurvenglied eine Rotationsbewegung
ausführt, um die hin- und hergehenden Bewegungen des oder
der Kolben zu erzeugen.
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Das
Konzept der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine lässt
sich insbesondere vorteilhaft in einer bevorzugten Ausgestaltung
anwenden, bei der dem zumindest einen ersten Kolben ein zweiter
Kolben gegenübersteht, der beim Rotieren des Kurvengliedes
zu dem ersten Kolben gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen
ausführt, wobei der zweite Kolben eine zweite Endfläche
aufweist, die der ersten Endfläche des ersten Kolbens zugewandt
ist, und sich die Arbeitskammer zwischen den Endflächen befindet.
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Dieses
an sich beispielsweise aus dem eingangs genannten Dokument bekannte
Boxerprinzip, bei dem die zwei Kolben gegeneinander arbeiten, hat den
Vorteil, dass bei vergleichsweise geringem Hub der beiden Kolben
ein großes Atmungsvolumen der Arbeitskammer erzielt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der zweite Kolben
ein Führungsglied auf, das mit der Steuerkurve des Kurvenglieds
in Eingriff steht.
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Bei
dieser Ausgestaltung werden somit die hin- und hergehenden Bewegungen
der beiden sich gegenüberstehenden Kolben unabhängig
voneinander aus der Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse abgeleitet.
Dies hat den Vorteil, dass zur Erzeugung der hin- und hergehenden
Bewegungen des zweiten Kolbens keine mechanische Kopplung zwischen
den beiden Kolben vorgesehen werden muss. Für den ersten
und zweiten Kolben ist darüber hinaus nur eine Steuerkurve
in dem Kurvenglied erforderlich.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft die Drehachse
mittig durch die Arbeitskammer.
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Diese
Maßnahme hat den Vorteil, dass im Fall der Verwendung der
erfindungsgemäßen Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine
stirnseitig im Gehäuse und auf der Drehachse liegend eine
Zündvorrichtung zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches
in der Arbeitskammer angeordnet werden kann. Eine Anordnung der
Zündvorrichtung auf der Drehachse ist zwar beispielsweise
auch bei der bekannten Rotationskolbenmaschine gemäß
WO 2006/122658 A1 vorgesehen,
jedoch besteht dort der Nachteil, dass die Zündvorrichtung
durch eine Bohrung in dem rotierenden Kolbenkäfig durchgeführt
ist, was zu Dichtungsproblemen zwischen der Zündvorrichtung
und dem rotierenden Kolbenkäfig führen kann. Bei
der erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann dagegen
die Zündvorrichtung durch das Gehäuse und somit
durch ein feststehendes Teil durchgeführt und leicht abgedichtet
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der zumindest eine
erste Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der
bezüglich des Gehäuses feststehend ist.
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Die
Aufnahme des zumindest einen ersten Kolbens in einem Kolbenkäfig
hat den Vorteil, dass der Kolben eine zylindrische Form aufweisen
kann, so dass die erste Endfläche des zumindest einen ersten
Kolbens kreisförmig ausgebildet werden kann, und der Kolben
in einer kreisförmigen Bohrung in dem Kolbenkäfig
gleitend gelagert werden kann. Auch dies ist bei der aus
WO 2006/122658 A1 bekannten
Rotationskolbenmaschine bereits realisiert, jedoch mit dem Unterschied,
dass dort der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die
Drehachse rotiert, während in der vorliegenden Ausgestaltung
der Kolbenkäfig gehäusefest ausgebildet ist. Damit
werden die bei der bekannten Rotationskolbenmaschine auftretenden
fliehkraftbedingten Reibungen zwischen den Kolben und dem Kolbenkäfig
bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine vermieden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung steht mit dem Kurvenglied
eine Welle in Wirkverbindung, derart, dass die Rotation des Kurvengliedes
in eine Rotation der Welle umgesetzt wird.
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Der
Abgriff der Drehbewegung, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs,
erfolgt hier vorteilhafterweise von dem rotierenden Kurvenglied,
so dass die Drehung des Kurvenglieds unmittelbar in eine Drehung
der Welle übertragen werden kann, was komplizierte Umsetzungsgetriebe
vermeidet.
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Bevorzugt
ist es dabei, wenn die Welle über eine Schneckenverzahnung
mit dem Kurvenglied verbunden ist.
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Auf
diese Weise kann die Welle vorteilhafterweise direkt mit der Außenseite
des Kurvengliedes in Eingriff stehen, wodurch weitere bewegliche
Teile zwischen dem Kurvenglied und der Welle eingespart werden.
Die Welle ist dabei vorzugsweise senkrecht zur Drehachse angeordnet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse
in Bezug auf die Drehachse stirnseitig ein Gaseinlass und ein Gasauslass
vorhanden, wobei der Gaseinlass und der Gasauslass mittels eines
Drehschiebers, der eine Öffnung aufweist, freigegeben und
verschlossen wird, der um die Drehachse mit gleicher Drehzahl wie
das Kurvenglied rotiert.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenmaschine ermöglicht
es vorteilhaft, dass der Gaseinlass und der Gasauslass in unmittelbarer
Nähe zur Drehachse in dem stirnseitigen Teil des Gehäuses
vorgesehen werden können, ohne dass der Gaseinlass und
der Gasauslass beispielsweise mit einem rotierenden Teil kollidieren. Über
den Drehschieber, der eine Öffnung aufweist, wird auf konstruktiv
vorteilhaft besonders einfache Weise ein Einlass- und Auslassventil geschaffen,
um ein Gas, beispielsweise ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, in die Arbeitskammer
einzulassen, und ein Gas, beispielsweise verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch,
aus der Arbeitskammer auszulassen, wobei durch die gleiche Drehgeschwindigkeit des
Drehschiebers wie die Drehgeschwindigkeit des Kurvenglieds der Zeitpunkt
des Gaseinlasses und des Gasauslasses mit der hin- und hergehenden
Bewegung des zumindest einen ersten Kolbens synchronisiert ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dazu vorgesehen, dass die
Rotation des Drehschiebers aus der Rotation des Kurvengliedes über
ein Getriebe mit einer Übersetzung der Drehzahl von 1:1
abgeleitet wird.
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Ein
solches Getriebe kann wiederum wie im Fall der oben genannten Welle
durch eine Schneckenverzahnung zwischen der Außenseite
des Kurvengliedes und einer Antriebswelle für den Drehschieber
ausgebildet sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse
insgesamt vier Kolben angeordnet, von denen der zumindest erste
und ein zweiter Kolben ein erstes Kolbenpaar und ein dritter und ein
vierter Kolben ein zweites Kolbenpaar bilden, wobei das zweite Kolbenpaar
eine zweite Arbeitskammer definiert, die mit der durch das erste
Kolbenpaar definierten Arbeitskammer in einer Ebene liegt, wobei
die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten und dritten Kolbens
gleichgerichtet sind, und wobei die hin- und hergehenden Bewegungen
des zweiten und vierten Kolbens gleichgerichtet sind.
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Bei
dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine
weist diese wie die bekannte Rotationskolbenmaschine zwar ebenfalls
vier Kolben und zwei Arbeitskammern auf, jedoch vergrößern
und verkleinern sich die beiden Arbeitskammern bei der erfindungsgemäßen
Kolbenmaschine im Unterschied zu der bekannten Rotationskolbenmaschine
gegensinnig, d. h. wenn die eine Arbeitskammer ihr minimales Volumen
aufweist, weist die andere Arbeitskammer ihr maximales Volumen auf, und
umgekehrt. Der Vorteil hierbei besteht insbesondere in Verbindung
mit dem erfindungsgemäßen Konzept, dass die Kolben
in dem Gehäuse nicht mehr um die Drehachse rotieren, darin,
dass zum einen auf die Kolben, wie bereits oben erwähnt,
keine Fliehkräfte wirken, und andererseits zwei über
ihre den Endflächen entgegengesetzten Rückseiten
benachbarte Kolben, d. h. der erste und dritte bzw. der zweite und
vierte Kolben, sich jeweils gemeinsam in der gleichen Richtung hin-
und herbewegen. Hierdurch werden Schwingungen der Kolbenmaschine im
Betrieb reduziert.
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In
der Ausgestaltung, in der die Kolbenmaschine insgesamt vier Kolben
aufweist, weisen auch der dritte und der vierte Kolben jeweils ein
Führungsglied auf, wobei die beiden Führungsglieder
in eine weitere Steuerkurve des Kurvengliedes eingreifen.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass die hin- und hergehenden Bewegungen aller
vier Kolben durch das Kurvenglied wohldefiniert geführt
sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und dritte
Kolben auf ihren einander zu gewandten Seiten miteinander verbunden,
und der zweite und vierte Kolben sind auf ihren einander zu gewandten
Seiten ebenfalls miteinander verbunden.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass über einen vollen Umlauf des Kurvenglieds
gesehen stets gewährleistet ist, dass die Führungsglieder
der Kolben mit direktem und sicherem Kontakt an der jeweiligen Steuerkurve
des Kurvengliedes anliegen, weil die Verbindung zwischen dem ersten
und dritten bzw. zweiten und vierten Kolben bewirkt, dass zwischen
diesen Kolben ein gegenseitiger Schlepp- oder Mitnahmeeffekt bei
der hin- und hergehenden Bewegung besteht.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder
in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Kolbenmaschine in einer Längsschnittdarstellung
in einer ersten Schnittebene entlang der Drehachse;
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2 die
Kolbenmaschine in 1 in einem Längsschnitt
entlang einer Schnittebene entlang der Drehachse, jedoch senkrecht
zur Schnittebene in 1, teilweise mit Aufbrechungen;
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3 die
Kolbenmaschine in 1 in einer Längsschnittdarstellung
gemäß
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2,
wobei die Kolben sich in einer gegenüber 1 und 2 verschiedenen
Betriebsstellung befinden;
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4 die
Kolbenmaschine in 1 in einer mit 3 vergleichbaren
Darstellung, wobei sich die Kolben in einer weiteren Betriebsstellung
befinden;
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5 eine
Stirnansicht der Kolbenmaschine in 1;
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6 ein
Kurvenglied der Kolbenmaschine in 1 in einer
ausschnittsweisen perspektivischen Darstellung zusammen mit den
Kolben der Kolbenmaschine, wobei sich die Kolben in einer ersten
Betriebsstellung befinden;
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7 die
Anordnung aus 6, wobei sich die Kolben in
einer gegenüber 6 veränderten Betriebsstellung
befinden; und
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8 ein
Diagramm, das die Arbeitstaktfolge in zwei parallelgeschalteten
Kolbenmaschinen gemäß 1 veranschaulicht.
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In 1 bis 5 ist
eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Kolbenmaschine dargestellt.
Weitere Einzelheiten der Kolbenmaschine sind in den 6 und 7 dargestellt.
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Die
Kolbenmaschine 10 dient in der vorliegenden Ausführung
als Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Kolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf,
das aus mehreren Gehäusesegmenten aufgebaut ist. Das Gehäuse 12 weist
im Wesentlichen eine Kugelsymmetrie auf, ist jedoch hierauf nicht
beschränkt.
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In
Bezug auf eine später noch zu erläuternde Drehachse 14 weist
das Gehäuse 12 ein erstes stirnseitiges Gehäusesegment 16 und
diesem gegenüberliegend ein zweites stirnseitiges Gehäusesegment 18 sowie
in Umfangsrichtung um die Drehachse 14 ein oder mehrere
Gehäusesegmente 20 als Hauptbestandteile des Gehäuses 12 auf.
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In
dem Gehäuse 12 sind insgesamt vier Kolben angeordnet,
und zwar ein erster Kolben 22, ein zweiter Kolben 24,
ein dritter Kolben 26 und ein vierter Kolben 28.
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Alle
vier Kolben 22 bis 28 sind in einer gemeinsamen
Ebene angeordnet, wie insbesondere aus 2 bis 4 hervorgeht.
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Der
erste Kolben 22 weist eine erste Endfläche 30,
der zweite Kolben 24 eine zweite Endfläche 32,
der dritte Kolben 26 eine dritte Endfläche 34 und der
vierte Kolben 28 eine vierte Endfläche 36 auf.
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Der
erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 definieren
zwischen ihren jeweiligen Endflächen 30 und 32 eine
erste Arbeitskammer 38, und der dritte Kolben 26 und
der vierte Kolben 28 definieren zwischen ihren Endflächen 34 und 36 eine
zweite Arbeitskammer 40.
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Die
Kolben 22 bis 28 führen in dem Gehäuse 12 hin-
und hergehende Bewegungen aus, wobei diese hin- und hergehenden
Bewegungen hier als Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse 41 stattfinden,
die senkrecht zu der oben genannten Drehachse 14 verläuft
und bezüglich des Gehäuses 12 feststeht.
Die Kolben 22 bis 28 sind hier entsprechend gekrümmt
zylindrisch ausgebildet. Es versteht sich, dass die Kolben 22 bis 28 in
einer abgewandelten Ausführungsform anstatt Schwenkbewegungen auch
linear hin- und hergehende Bewegungen senkrecht oder schräg
zur Drehachse ausführen können und dann entsprechend
nicht gekrümmt sein müssen.
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Um
die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu
erzeugen, ist in dem Gehäuse 12 weiterhin ein
Kurvenglied 42 angeordnet.
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Das
Kurvenglied 42 ist als sich vollumfänglich um
die Drehachse 14 erstreckender und in Umfangsrichtung geschlossener
Ring ausgebildet, und befindet sich in Bezug auf die Kolben 22 bis 28 von der
Drehachse 14 aus gesehen radial außerhalb der Kolben 22 bis 28 und
etwa mittig zwischen den stirnseitigen Gehäusesegmenten 16 und 18 bzw.
etwa mittig in dem Gehäuse 12.
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Das
Kurvenglied 42 ist um die Drehachse 14 mittels
zweier Ringlager 44, 46 rotierbar in dem Gehäuse 12 gelagert.
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Das
Kurvenglied 42 kann somit um die als geometrische Achse
zu verstehende Drehachse 14 in dem Gehäuse 12 rotieren,
wobei die Rotation des Kurvenglieds 42 dazu dient, die
hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu
erzeugen.
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Dazu
weist das Kurvenglied 42 eine erste Steuerkurve 48 und
eine zweite Steuerkurve 50 auf, wobei die beiden Steuerkurven 48, 50 in
Bezug auf die Drehachse axial nebeneinander angeordnet sind und
sich jeweils um die Drehachse 14 vollumfänglich erstrecken.
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Mit
der Steuerkurve 48 steht ein Führungsglied 52,
das mit dem ersten Kolben 22 verbunden ist, sowie ein Führungsglied 54,
das mit dem zweiten Kolben 24 verbunden ist, in Eingriff.
Mit der Steuerkurve 50 steht ein Führungsglied 56,
das mit dem dritten Kolben 26 verbunden ist, und ein Führungsglied 58,
das mit dem vierten Kolben 28 verbunden ist, in Eingriff.
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Die
Führungsglieder 52 bis 58 sind als Laufrollen
ausgebildet und auf der den jeweiligen Endflächen 30 bis 36 abgewandten
Rückseite der Kolben 22 bis 28 angeordnet.
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Wie
in 2 beispielhaft für das Führungsglied 52 dargestellt
ist, ist dieses über einen Achszapfen 60, der
mit dem Kolben 22 fest verbunden ist, an dem Kolben 22 drehbar
gelagert.
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Die
Führungsglieder 52 bis 58 können
anstelle durch Laufrollen wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
auch durch in Kugelpfannen in den Kolben 22 bis 28 gelagerte
Kugeln, oder durch Gleitschuhe oder durch anders geformte Laufrollen
gebildet sein.
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Die
Kolben 22 bis 28 sind ferner in einem Kolbenkäfig 62 gleitend
gelagert, der bezüglich der Drehachse 14 in dem
Gehäuse 12 feststeht, mit dem Gehäuse 12 also
drehfest verbunden ist.
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Der
Kolbenkäfig 62 weist für den ersten Kolben 22 und
den zweiten Kolben 24 eine hier kreisförmige Bohrung 64 auf,
sowie für den dritten Kolben 26 und den vierten
Kolben 28 eine ebenfalls kreisförmige Bohrung 66,
so dass die Kolben 22 und 24 in der Bohrung 64 und
die Kolben 26 und 28 in der Bohrung 66 gleitend
gelagert sind. Die Kolben 22 bis 28, die im Querschnitt
vorzugsweise kreisförmig sind, können somit über
kreisförmige Dichtungen (beispielsweise Dichtungen 68 des
Kolbens 22 in 3) abgedichtet in den Bohrungen 64 bzw. 66 gleiten,
so dass die Arbeitskammern 38 und 40 abgedichtet
sind. Die Umfangswände der Bohrungen 64 und 66 begrenzen
dabei zusammen mit den Endflächen 30, 32 bzw. 34, 36 die
Arbeitskammern 38 bzw. 40, so dass die Arbeitskammern 38 bzw. 40 im
Wesentlichen die Form eines Zylinders aufweisen.
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Beim
Rotieren des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 laufen
die Steuerkurven 48 und 50 an den Führungsgliedern 52 bis 58 entlang,
und entsprechend der Konturierung der Steuerkurven 48 und 50,
die in Bezug auf die Drehachse 14 aus „Bergen"
und „Tälern" bestehen, werden die hin- und hergehenden
Bewegungen der Kolben 22 bis 28 erzeugt.
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Jeder
der Kolben 22 bis 28 führt seine hin- und
hergehenden Bewegungen zwischen zwei Endstellungen aus, wobei die
Bewegung der Kolben 22 bis 28 dabei stets in der
gleichen Bewegungsebene stattfindet, die für die vier Kolben 22 bis 28 in 2 bis 4 die
Zeichenebene ist. Die Kolben 22 bis 28 laufen
also nicht wie bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen um die
Drehachse 14 um. Die Kolben 22 bis 28 befinden
sich dagegen stets in einer im Wesentlichen mittigen Ebene im Gehäuse 12.
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Der
erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 führen
dabei zueinander gegensinnige Bewegungen aus, und der dritte Kolben 26 und
der vierte Kolben 28 führen ebenfalls zueinander
gegensinnige Bewegungen aus. Demgegenüber sind die hin-
und hergehenden Bewegungen des ersten Kolbens 22 zu denjenigen
des dritten Kolbens 26 gleichgerichtet, und die hin- und
hergehenden Bewegungen des zweiten Kolbens 24 sind mit
denjenigen des vierten Kolbens 28 gleichgerichtet. Dies
bewirkt, dass sich die Arbeitskammern 38 und 40 nicht
gleichsinnig vergrößern und verkleinern, sondern
während sich die Arbeitskammer 38 im Volumen verkleinert,
vergrößert sich die Arbeitskammer 40,
und umgekehrt.
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In 2 sind
der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 in
ihrer Endstellung dargestellt, die als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet
wird, in der sich die Kolben 22 und 24 maximal
aufeinander zu bewegt haben und die Arbeitskammer 38 entsprechend ein
minimales Volumen aufweist.
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Gleichzeitig
befinden sich die Kolben 26 und 28 in einer Endstellung,
die als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet wird, in der die Kolben 26 und 28 maximal voneinander
beabstandet sind und die Arbeitskammer 40 entsprechend
maximales Volumen besitzt.
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3 zeigt
eine Zwischenstellung der Kolben 22 und 24 bzw. 26 und 28,
bei der sich die Kolben 22 bis 28 aus ihrer jeweiligen
Endstellung in 2 um jeweils die Hälfte
in Richtung zur anderen Endstellung bewegt haben. Dem Übergang
von 2 zu 3 liegt eine 90°-Drehung
des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 zugrunde.
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4 zeigt
nach einer weiteren 90°-Drehung ausgehend von 3 die
zu 2 umgekehrte Situation, in der die Kolben 22 und 24 ihre
UT-Stellung erreicht haben, während die Kolben 26 und 28 ihre OT-Stellung
erreicht haben.
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In 6 ist
die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die gleichzeitige
UT-Stellung der Kolben 26 und 28 zusammen mit
der zugehörigen Drehstellung des Kurvenglieds 42 perspektivisch
dargestellt, und in 7 der umgekehrte Fall, d. h.
die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die UT-Stellung
der Kolben 26 und 28.
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Der
erste Kolben 22 und der dritte Kolben 26 sind
auf ihren den Endflächen 30 und 34 abgewandten
Rückseiten miteinander verbunden, und zwar vorzugsweise
elastisch beispielsweise über eine Zugfeder 68,
und der zweite Kolben 24 und der vierte Kolben 28 sind
entsprechend ebenfalls vorzugsweise elastisch miteinander verbunden,
und zwar beispielsweise über eine Zugfeder 70.
Die Verbindung zwischen dem ersten Kolben 22 und dem dritten
Kolben 26 und die Verbindung zwischen dem zweiten Kolben 24 und
dem vierten Kolben 28 bewirkt einen gegenseitigen Schlepp-
oder Mitnahmeeffekt zwischen dem ersten Kolben 22 und dem
dritten Kolben 26 bzw. zwischen dem zweiten Kolben 24 und
dem vierten Kolben 28, wodurch die Führungsorgane 52 bis 58 sicher
in Kontakt mit der Steuerkurve 48 bzw. 50 des
Kurvengliedes 42 gehalten werden. Die elastische Verbindung
zwischen den Kolben 22 und 26 bzw. 24 und 28 erlaubt
ein geringfügiges elastisches Abstandsspiel zwischen diesen
Kolben.
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Um
die Rotation des Kurvenglieds 42 im Betrieb der Kolbenmaschine 10 als
Antriebskraft zu nutzen, steht das Kurvenglied 42 mit einer
Welle 72 (1) in Wirkverbindung. In 2 bis 4 sind Endabschnitte 74, 76 der
Welle 72 dargestellt, an die beispielsweise der Antriebsstrang
eines Fahrzeugs oder Aggregate angeschlossen werden können.
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Das
Kurvenglied 42 weist gemäß 6 und 7 außenseitig
eine Schneckenverzahnung 78 auf, und die Welle 72 weist
eine entsprechende Außenverzahnung auf, die mit der Schneckenverzahnung 78 des
Kurvenglieds 42 kämmt, derart, dass beim Rotieren
des Kurvengliedes 42 um die Drehachse 14 die Welle 72 in
Rotation um ihre Längsmittelachse versetzt wird. Die Welle 72 erstreckt
sich in dieser besonders einfachen Ausgestaltung, die zur Drehübertragung
zwischen dem Kurvenglied 42 und der Welle 72 nur
eine Verzahnung an diesen beiden Teilen und keine weiteren Teile
eines Getriebes erfordert, senkrecht zur Drehachse 14.
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Nachfolgend
werden weitere Aspekte der Kolbenmaschine 10 beschrieben.
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Der
ersten Arbeitskammer 38 sind ein Gaseinlass 80 und
ein Gasauslass 82 zugeordnet, wobei der Gaseinlass 80 und
der Gasauslass 82 in unmittelbarer Nähe zur Drehachse 14 in
dem stirnseitigen Gehäusesegment 16 angeordnet
sind.
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Der
Arbeitskammer 40 ist in entsprechender Weise ein Gaseinlass 84 und
ein Gasauslass 86 in dem Gehäusesegment 86 zugeordnet.
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In
dem Gaseinlass 80 ist ferner eine Kraftstoffzuführvorrichtung 88 und
in dem Gaseinlass 84 eine Kraftstoffzuführvorrichtung 90 angeordnet.
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Durch
den Gaseinlass 80 kann somit ein Gemisch aus Frischluft
und Kraftstoff, der über die Kraftstoffzuführeinrichtung 88,
beispielsweise eine Einspritzdüse, zugeführt wird,
in die Arbeitskammer 38 eingeleitet werden. Während
das Einleiten von Frischluft in der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 beginnt,
die sich anschließend in die UT-Stellung bewegen, kann
der Kraftstoff auch erst kurz vor dem Erreichen der UT-Stellung
eingespritzt werden. Die Kolben bewegen sich anschließend
wieder in die OT-Stellung, wobei dann das Gemisch verdichtet wird.
In der neuerlichen OT-Stellung der Kolben 22, 24 kann
dann das Gemisch mittels einer Zündvorrichtung 92,
beispielsweise einer Zündkerze, gezündet werden,
woraufhin die Kolben 22 und 24 explosionsartig
auseinander bewegt werden, d. h. der Arbeitstakt des Expandierens
stattfindet. Nachdem die Kolben 22 und 24 erneut
die OT-Stellung erreicht haben, wird dann beim Zurückbewegen
der Kolben 22 und 24 in die UT-Stellung das verbrannte
Gemisch über den Gasauslass 82 ausgestoßen,
wie dies bei einem Viertakter bekannt ist.
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Eine
entsprechende Zündvorrichtung 94 ist für
die Arbeitskammer 40 vorgesehen.
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Zum
Freigeben und Verschließen des Gaseinlasses 80 und
des Gasauslasses 82 ist ein Drehschieber 96 in
dem Gehäuse 12 angeordnet, und zum Verschließen
des Gaseinlasses 84 und des Gasauslasses 86 ist
ein Drehschieber 98 in dem Gehäuse 12 angeordnet.
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Die
beiden Drehschieber 96 und 98 besitzen jeweils
nur eine umfänglich um die Drehachse 14 begrenzte Öffnung,
wobei in 1 die eine Öffnung 100 des
Drehschiebers 98 zu sehen ist.
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Beide
Drehschieber 96 und 98 sind um die Drehachse 14 rotierbar
in dem Gehäuse 12 gelagert, wobei die Drehschieber 96 und 98 mit
gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied 42 um die Drehachse 14 rotieren.
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Die
Rotation der Drehschieber 96 und 98 wird dabei
aus der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet, das mit
den Drehschiebern 96 und 98 über ein
Getriebe 102 verbunden ist, das die Drehzahl des Kurvenglieds 42 1:1
in die Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 überträgt.
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Das
Getriebe 102 weist eine Welle 104 auf, die über
ein Zahnrad 106 mit der Außenverzahnung 78 des
Kurvenglieds 42 kämmt, um die Welle 104 in Rotation
um ihre Längsachse zu versetzen, wobei die Welle 104 endseitig
Zahnräder 108, 110 trägt, die
mit Zahnrädern 112, 114 kämmen,
die wiederum mit einer Außenverzahnung an den Drehschiebern 96, 98 kämmen.
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Dadurch,
dass die Rotation der Drehschieber 96, 98 aus
der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet wird, wird
eine optimale Synchronisation der Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 mit
der Drehzahl des Kurvenglieds 42 erreicht, und somit die
Freigabe der Gaseinlässe 80, 84 und der
Gasauslässe 82, 86 zum jeweils richtigen
Zeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl des Kurvenglieds 42.
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Mit
Bezug auf 8 wird nachfolgend die Arbeitsweise
der Kolbenmaschine 10 näher beschrieben.
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Ausgangspunkt
der Beschreibung ist die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und
damit einhergehend die UT-Stellung der Kolben 26 und 28.
Die Arbeitskammer 38 hat also minimales Volumen, und die
Arbeitskammer 40 maximales Volumen.
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Wurde
in der Arbeitskammer 38 zuvor ein Kraftstoff-Luft-Gemisch
verdichtet, kann es ausgehend von der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 in der
Arbeitskammer 38 gezündet werden, wie durch einen
Zündfunken in 8 angedeutet ist. Nach einer
90°-Umdrehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 haben
sich die Kolben 22 und 24 dann von der OT-Stellung
in die UT-Stellung bewegt, und es hat der Arbeitstakt des Arbeitens
(Expandierens) stattgefunden.
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In
die Arbeitskammer 40 wurde bei entsprechender Stellung
des Drehschiebers 98 gemäß 1 ein
Kraftstoff-Luft-Gemisch eingelassen, und während der zuvor
beschriebenen 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 bewegen
sich die Kolben 26 und 28 aus der UT-Stellung
in die OT-Stellung, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Arbeitskammer 40 verdichtet
wird.
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Bei
einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um
die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 nun
nachfolgend der Arbeitstakt des Ausstoßens des verbrannten
Kraftstoff-Luft-Gemisches statt, während in der Arbeitskammer 40 gleichzeitig der
Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) nach Zünden des
Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet. Am Ende dieses Taktes befinden
sich die Kolben 22, 24 in der OT-Stellung, und
die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.
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Während
einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um
die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der
Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft-Gemisches statt,
und in der Arbeitskammer 40 der Arbeitstakt des Ausstoßens
des verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Am Ende dieses Taktes
befinden sich die Kolben 22, 24 in der UT-Stellung,
und die Kolben 26, 28 in der OT-Stellung.
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Während
einer weiteren Drehung des Kurvenglieds 42 um 90° um
die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der
Arbeitstakt des Verdichtens und in der Arbeitskammer 40 der
Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft-Gemisches statt. Am
Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in
der OT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.
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Während
einer vollen Umdrehung des Kurvenglieds 42 um 360° um
die Drehachse 14 finden somit in beiden Arbeitskammern 38 und 40 die
vier Arbeitstakte des Arbeitens, Ausstoßens, Ansaugens, Verdichtens
statt, wobei die Arbeitstakte in der Arbeitskammer 38 um
90° phasenverschoben sind.
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Schaltet
man nun zwei Kolbenmaschinen 10 parallel zusammen, entsteht
eine Kolbenmaschine mit insgesamt vier Arbeitskammern, und wählt
man die Anordnung so, dass in den beiden Arbeitskammern der zweiten
Kolbenmaschine die Arbeitstakte sowohl untereinander als auch in
Bezug auf die Arbeitstakte in den Arbeitskammern 38 und 40 der
ersten Kolbenmaschine 10 um jeweils 90° zueinander phasenverschoben
sind, lässt sich insgesamt eine Kolbenmaschine realisieren,
in der bei jeder Umdrehung der dann zwei Kurvenglieder um 90° ein
Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) stattfindet, so dass auf
diese Weise eine lückenlose Abfolge von vier Takten des
Arbeitens (Expandierens) bei einer Umdrehung um 360° wie
bei einem 8-Zylinder-Motor stattfindet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2006/122658
A1 [0002, 0019, 0021]
- - DE 102005024751 A1 [0008, 0008]
- - WO 03/067033 A1 [0008, 0008]