KOLBENMASCHINE

Kolbenmaschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, die einen in mindestens einer Arbeitskammer mit Ein- und Auslassöffnungen abdichtend hin und her bewegbaren Kolben und ein mit dem Kolben verbundenes, in einem Kurbelgehäuse angeordnetes Kurbelgetriebe aus einer Pleuelstange und einer an dieser angelenkten Kurbelwelle umfasst.

Kolbenmaschinen der eingangs erwähnten Art, die als Arbeitsmaschinen in Form von Kolbenpumpen und Kolbenverdichtern oder als Kraftmaschinen in Form von Verbren- nungsmotoren, Druckgasmotoren oder Hydraulikmotoren zur Umsetzung von im Arbeitsraum erzeugtem Druck in Bewegung eingesetzt werden, sind hinreichend bekannt. Die in einem Zylinder abdichtend geführten Kolben sind über eine am Kolbenboden angelenkte Pleuelstange gelenkig mit einer Kurbelwelle verbunden, deren Rotationsbewegung in eine hin und her gehende Bewegung - oder umgekehrt - umgewandelt wird. Üblicherweise entspricht ein Arbeitstakt des Kolbens einer Rotationsbewegung der Kurbelwelle um 360°. Bekannt sind auch Doppelkolbenmaschinen mit zwei Arbeits- räumen, bei denen die obere und die untere Stirnfläche ein und desselben Kolbens jeweils einen Arbeitsraum begrenzt und der über einen Kreuzkopf mit der Pleuelstange verbundene Kolben somit während einer Umdrehung der Kurbelwelle zwei Arbeitstakte ausführt. Die Fertigung von nach diesem Prinzip ausgebildeten Kolbenmaschinen, die zudem einen relativ großen Platzbedarf haben, ist wegen des komplizierten Aufbaus und der schwierigen Abdichtung zwischen den Arbeitsräumen und dem Kurbelgehäuse aufwendig. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine der eingangs erwähnten Art anzugeben, die effizient arbeitet und einfach und kompakt sowie fertigungstechnisch vorteilhaft ausgebildet und vielseitig einsetzbar ist.

Der Kern der Erfindung besteht mit anderen Worten in der Anordnung mindestens einer als Doppelkolben fungierenden, um einen Drehpunkt schwenkbaren Platte mit beidseitig wirksamer Arbeitsfläche in einem an die Form und Größe und den Schwenkwinkel dieser Platte angepassten Arbeitsraum, in dessen den Arbeitsflächen gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils Ein- und Auslassventile vorgesehen sind. Die Doppelkolben-Schwenkplatte ist über eine Pleu- elstange mit einer in einem Kurbelgehäuse angeordneten

Kurbelwelle verbunden und führt bei einer Kurbelwellenumdrehung von 180° eine Schwenkbewegung mit gleichzeitig zwei Arbeitstakten, nämlich Ansaugen auf der einen Plattenseite und Verdichten bzw. Ausstoßen auf den anderen Plattenseite aus. Die so ausgebildete Kolbenmaschine, die sowohl als Pumpe oder Verdichter als auch als Verbrennungsmotor eingesetzt werden kann, zeichnet sich durch eine effiziente Funktion und eine einfache sowie kompakte Bauweise aus .

Gemäß einem weiteren wichtigen Merkmal der Erfindung wird die Schwenkachse durch einen in einem die Arbeitskammer und das Kurbelgehäuse verbindenden Lagergehäuse gehaltenen Drehzylinder gebildet, der die Arbeitskammer und das Kurbelgehäuse trennt und auf dessen in der Arbeitskammer liegendem Bereich die Doppelkolben-Schwenkplatte und auf dessen im Kurbelgehäuse liegendem Bereich die Pleuelstange starr befestigt sind.

Der Kurbelzapfen der Kurbelwelle greift in eine in der Pleuelschlaufe ausgeführten Pleuelstange ausgebildete Führungsnut ein, so dass die Doppelkolben-Schwenkplatten bei einer vollständigen Umdrehung der Kurbelwelle zwei jeweils hin und her gehende Schwenkbewegungen und - bei der Funktion als Arbeitsmaschine - vier Arbeitstakte (zweimal Ansaugen und zweimal Verdichten bzw. Ausstoßen des Fluids) ausführen. Gleichermaßen kann die so ausgebildete Kolbenmaschine auch als Druckgas-Kraftmaschine arbeiten, wobei sich bei 720° Kurbelwinkel gegenüber einem herkömmlichen Viertakt-Verbrennungsmotor mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbenmaschine vier Arbeitstakte ergeben.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jede Arbeitskammer mit einer entsprechend der Bewegungsbahn der Doppelkolben-Schwenkplatte gewölbten Deckplatte abgedeckt, so dass zwischen dieser und der Doppelkolben- Schwenkplatte ein gleichbleibender geringer Spalt verbleibt. Diese Spaltweite ist jedoch mit Hilfe von zwei Exzentern oder einem Exzenter und der um einen Drehpunkt verschwenkbaren Deckplatte verstellbar, so dass die Kolbenmaschine bei gleichzeitiger Kühlwirkung auch in Teiloder Nulllast gefahren werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung sind an den Stirn- und Seitenflächen der Doppelkolben-Schwenkplatte sowie im Bereich des Lagergehäuses Dichtungsmittel, insbesondere Dichtleisten angebracht, um die auf beiden Seiten der Doppelkolben-Schwenkplatte gebildeten Arbeitskammerteile gegeneinander und gegenüber dem Kurbelgehäuse abzudich- ten.

Die Arbeitsflächen der Doppelkolben-Schwenkplatte und dementsprechend auch die Arbeitskammer können in Form und Größe unterschiedlich, beispielsweise rechteckig, trapez- förmig, dreieckig oder halbkreisförmig, gestaltet sein, um dadurch Einfluss auf den Temperatur- und Druckverlauf oder das Fördervolumen nehmen zu können. Auch das Querschnittsprofil der Doppelkolben-Schwenkplatte kann variabel, beispielsweise rechteckig, rautenförmig, konkav oder konvex gewölbt, gestaltet sein oder als Hohlkörper ausge- führt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Führungsnut in der Pleuelstange zur Beeinflussung der Kolbenbewegung und des Fördervolumens sowie des Druck- und Tempera- turverlaufs entweder gerade oder nach der einen oder der anderen Seite gekrümmt oder abgeknickt verlaufend ausgebildet.

In Ausgestaltung der Erfindung kann auch der Schwenkwin- kel der Doppelkolben-Schwenkplatte, der vorzugsweise zwischen 50 und 60° liegt, variieren, wodurch der Kurbelradius und der Mittenabstand von Schwenkachse und Kurbelwelle beeinflusst werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die als

Pleuelschlaufe ausgeführte Pleuelstange integraler Bestandteil der eine entsprechende Führungsnut aufweisenden Doppelkolben-Schwenkplatte sein.

Die Pleuelstange kann auch in einem unterschiedlichen

Winkel zur Doppelkolben-Schwenkplatte und der diese aufnehmenden Arbeitskammer angeordnet sein, um so eine an die jeweiligen Verhältnisse angepasste optimale Ausnutzung des vorhandenen Bauraums zu gewährleisten. Die Pleu- elstange kann auch in einem Winkel von 0° zur Doppelkolben-Schwenkplatte, das heißt unmittelbar seitlich von der Arbeitskammer angeordnet und mit einem aus der Arbeitskammer heraus ragenden Ende des Drehzylinders verbunden sein . Schließlich können so mehrere Arbeitskammern mit an einem gemeinsamen langgestreckten Drehzylinder angebrachten Doppelkolben-Schwenkplatten hintereinander geschaltet angeordnet sein.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können auch zwei oder mehrere Arbeitskammern mit am Umfang ein und desselben Drehzylinders angebrachten Doppelkolben- Schwenkplatten einander gegenüberliegend oder beispiels- weise sternförmig angeordnet sein, wobei der Antrieb an einer Doppelkolben-Schwenkplatte mit integraler Pleuelstange oder einer mit dem Drehzylinder verbundenen, als Pleuelschlaufe ausgeführten Pleuelstange erfolgt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind bei Mehrkammeranordnungen die zwei oder mehreren am Drehzylinder angebrachten Doppelkolben-Schwenkplatten und die jeweiligen Arbeitskammern unterschiedlich groß ausgebildet, so dass beispielsweise mehrere Pumpen mit verschiedenen För- dermengen und Drücken oder Kompressoren mit Mehrstufenverdichtung betrieben werden können. Zudem können die einzelnen Arbeitskammern unterschiedlich als Kraft- und/oder Arbeitsmaschine mit jeweils unterschiedlicher Funktion fungieren. Beispielsweise kann eine Arbeitskam- mer als Motor betrieben werden, während die anderen Arbeitskammern des Mehrkammersystems beispielsweise als Druckluftkompressor und/oder als Vakuumpumpe fungieren. Auch andere Kombinationen unterschiedlicher Kraft- und/oder Arbeitsmaschinen sind denkbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Kolbenmaschine mit ei- ner in einer Arbeitskammer verschwenkbarer Doppelkolben-Schwenkplatte; Fig. 2 einen gegenüber Fig. 1 um 90° gedrehten Längsschnitt einer weiteren Kolbenmaschine, jedoch mit parallel und seitlich zur Arbeitskammer aus- gebildetem Kurbelgehäuse;

Fig. 3 einen Schnitt AA nach Fig. 3 ;

Fig. 4 einen Längsschnitt der Kolbenmaschine nach Fig. 1, jedoch mit zwei Arbeitskammern und einem zur zweiten Arbeitskammer parallel angeordneten Kurbelgehäuse und in eine zweite Kolbenplatte integrierter Pleuelstange;; und

Fig. 5 eine Schnittansicht einer als Mehrkammersystem ausgeführten Kolbenmaschine mit vier am Drehzylinder sternförmig angeordneten Arbeitskammern.

Wie Fig. 1 zeigt, umfasst die Kolbenmaschine ein Gehäuse 1, das eine Arbeitskammer 2, ein Lagergehäuse 3 und ein

Kurbelgehäuse 4 einschließt. Die Arbeitskammer 2, die einen kreissegmentförmigen Querschnitt hat, wird entsprechend der Form des Kreissegments durch zwei im Winkel zueinander angeordnete Seitenwände 5, 6, eine vordere Stirnwand (nicht dargestellt) und eine hintere Stirnwand 7 sowie eine entsprechend dem kreissegmentförmigen Querschnitt gewölbte Deckplatte 8 und einen Drehzylinder 9 begrenzt. An die der Deckplatte 8 gegenüberliegenden Enden der Seitenwände 5, 6 schließt sich ein von zwei gegenüberliegenden Lagerschalen (Viertelschalen 10) gebildetes Lagergehäuse 3 an, von dem ein geschlossenes, teilweise mit einem Ölsumpf 12 gefülltes Kurbelgehäuse 4 ausgeht. In dem Lagergehäuse 3 ist der um eine Drehachse 14 drehbare Drehzylinder 9 gelagert, und zwar so, dass die Arbeitskammer 2 gegenüber dem Kurbelgehäuse 4 hermetisch - beispielsweise mit in das Lagergehäuse 3 integ- rierten Dichtleisten 13 - abgedichtet ist. An dem Drehzylinder 9 sind einander diametral gegenüberliegend eine Doppelkolben-Schwenkplatte 15 und eine Pleuelstange 16 starr befestigt oder einstückig angeformt. Die Pleuel- stange 16 weist eine sich über deren gesamte Länge erstreckenden Führungsnut 17 auf, in die ein Kurbelzapfen 18 einer in dem Kurbelgehäuse 4 drehbar gelagerten Kurbelwelle 19 eingreift. Die Doppelkolben-Schwenkplatte 15 befindet sich in der Arbeitskammer 2 und liegt abdich- tend, beispielsweise mittels Dichtleisten 13, mit ihrer Oberkante an der Innenfläche der gewölbten Deckplatte 8 und mit ihren beiden Seitenkanten an den beiden Stirnwänden 7 der Arbeitskammer 2 an. Die gewölbte Deckplatte 8, die die Arbeitskammer 2 nach oben begrenzt, kann, bei- spielsweise mittels Drehpunkt 20 und Exzenter 21, geringfügig in der Höhe verstellbar angeordnet sein. In den beiden Seitenwänden 5, 6 der Arbeitskammer 2 sind jeweils Einlassventile 22, 24 und Auslassventile 23, 25 ausgebildet.

Die zuvor beschriebene Kolbenmaschine kann wie folgt als Kolbenpumpe oder als Kolbenverdichter arbeiten, aber auch als hier in der Funktion nicht beschriebener Verbrennungsmotor mit innerer oder äußerer Verbrennung fungie- ren:

Während der Drehbewegung der Kurbelwelle 19 gleitet der sich auf einem Kurbelradius 11 bewegende Kurbelzapfens 18 in der Führungsnut 17 der Pleuelstange 16, die dabei eine Schwenkbewegung ausführt und diese Schwenkbewegung auf die Doppelkolben-Schwenkplatte 15 überträgt. Bei der Schwenkbewegung der Doppelkolben-Schwenkplatte 15 von der in Fig. 1 gezeigten Position an der linken Seitenwand 5 der Arbeitskammer 2 zur rechten Seitenwand 6, die im Ver- lauf einer Drehbewegung der Kurbelwelle von 180° stattfindet, sind das linke Einlassventil 22 und das rechte Auslassventil 25 geöffnet, während das linke Auslassventil 23 und das rechte Einlassventil 24 geschlossen sind. Dabei wird ein zuvor angesaugtes Fördermedium aus der Arbeitskammer 2 über das rechte Auslassventil 25 ausgesto- ßen. Gleichzeitig wird über das linke Einlassventil 22 ein Fördermedium angesaugt, das bei weiterer Drehbewegung der Kurbelwelle um 180° und der dadurch bewirkten Bewegung der Doppelkolben-Schwenkplatte 15 in entgegen gesetzter Richtung bei geschlossenem linken Einlassventil 22 und offenem linken Auslassventil 23 wieder ausgestoßen wird, während auf der anderen Seite der Doppelkolben- Schwenkplatte 15 bei geöffnetem rechten Einlassventil 24 und geschlossenem rechten Auslassventil 25 Fördermedium angesaugt wird. Die Doppelkolben-Schwenkplatte 15 arbei- tet somit als Doppelkolben, der bei einer Umdrehung der

Kurbelwelle 19 zwei Schwenkbewegungen, das heißt vom linken Totpunkt an der linken Seitenwand 5 zum rechten Totpunkt an der rechten Seitenwand 6 und zurück, ausführt. Somit werden durch den Doppelkolben bei der Funktion als Kolbenpumpe bzw. -Verdichter oder Motor bei einer Kurbelwellenumdrehung von 360° vier Takte, das heißt zweimal Ansaugen und zweimal Verdichten bzw. Ausstoßen, oder beim Motor zwei Arbeitstakte verrichtet. Der Ölsumpf 12 übernimmt die Schmierung des Kurbelgetriebes, das heißt der Führungsnut 17 und des in dieser gleitenden Kurbelzapfens 18, der im Übrigen auch mit Wälzlagern und Kulissensteinen ausgebildet sein kann.

Der oben erwähnte Exzenter 21 und die Anlenkung der Deck- platte 8 in einem Drehpunkt 20 erlauben eine Verstellung des Spiels zwischen der Oberkante der Doppelkolben- Schwenkplatte 15 und der Deckplatte 8, so dass ein Betrieb der Kolbenpumpe in Teil- oder Nulllast eingestellt werden kann und die Arbeitskammer 2 gekühlt sowie ein Festlaufen der Doppelkolben-Schwenkplatte verhindert werden kann und darüber hinaus ein lastloses Anfahren ermög- licht wird. Bei den unten erwähnten MehrkammerSystemen können eine oder mehrere Arbeitskammern lastlos mitlaufen, so dass der Betrieb der Kolbenmaschine an unterschiedliche Leistungsanforderungen angepasst werden kann und zudem eine Kühlwirkung erzielt werden kann.

Die zuvor in der Funktion als Kolbenpumpe beschriebene Kolbenmaschine kann gleichermaßen auch als Motor mit Druckgas oder äußerer bzw. innerer Verbrennung betrieben werden, der - gegenüber einem herkömmlichen Verbrennungsmotor mit nur einem Arbeitstakt bei 720° Kurbelwellenumdrehung - bei einem kleineren, leichteren und einfacheren Aufbau vier Arbeitstakte leistet.

Die Pleuelstange 16 kann nicht nur in der in Fig. 1 gezeigten 180°-Winkellage, sondern auch in unterschiedlichen Winkeln zur Doppelkolben-Schwenkplatte 15 angeordnet sein, so dass platzsparenden Einbaulagen realisierbar sind. Die Figuren 2 und 3 zeigen eine noch kompakter ausgeführte Ausführungsvariante der in Fig. 1 dargestellten Kolbenmaschine, bei der der Winkel zwischen der Doppelkolben-Schwenkplatte 15 und der Pleuelstange 16 0° beträgt und das Kurbelgehäuse 4 parallel zur Arbeitskammer 2 und der in dieser hin und her bewegbaren Doppelkolben- Schwenkplatte 15 angeordnet ist. Der in Lagern 26 gehaltene Antriebszapfen 27 des Drehzylinders 9 ist mit der parallel zur Doppelkolben-Schwenkplatte 15 angeordneten Pleuelstange 16 verbunden, in deren Führungsnut 17 der Kurbelzapfen 18 der Kurbelwelle 19 eingreift. An die vom Kurbelgehäuse 4 abgewandte Seite der in Fig. 2 gezeigten Arbeitskammer 2 können sich noch weitere Arbeitskammern mit einer entsprechenden Anzahl sich in Längsrichtung erstreckender Drehzylinder und mit diesen jeweils verbun- dener Doppelkolben-Schwenkplatten (jeweils nicht darge- stellt) anschließen, die sämtlich von ein und derselben Kurbelwelle 19 angetrieben werden.

Fig. 4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform einer mit zwei sich von dem Drehzylinder 9 gegenüberliegend erstrechenden Arbeitskammern 2 ausgebildeten Kolbenmaschine. Die zu jeder Arbeitskammer 2 gehörenden, synchron in der jeweils anderen Richtung angetriebenen Doppelkolben- Schwenkplatten 15, 15' sind gegenüberliegend am Drehzy- linder 9 angebracht. Die Pleuelstange ist integraler Bestandteil der mit einer Führungsnut 17 ausgebildeten Doppelkolben-Schwenkplatte 15', die eine entsprechend größere Dicke aufweist und somit auch eine, wie Fig. 4 zeigt, dementsprechend größere Dimensionierung der Arbeitskammer 2' aufweist. Die zweite Arbeitskammer 2' und die zweite Doppelkolben-Schwenkplatte 15' können aber auch in Bezug auf die erste Arbeitkammer 2 in einer anderen Winkellage angeordnet sein.

Eine gegenüber der in Fig. 4 gezeigten Kolbenmaschine noch erweiterte Ausführungsvariante, bei der vier Arbeit skammern 2, 2' um einen gemeinsamen, mit mehreren synchron betätigten Doppelkolben-Schwenkplatten 15, 15' ausgebildeten Drehzylinder 9 herum angeordnet sind, ist in Fig. 5 dargestellt. Auch in diesem Beispiel ist die Pleuelstange in eine Arbeitskammer 2' bzw. eine Doppel ^¬ kolben-Schwenkplatte 15' integriert. Es ist aber auch denkbar, eine separate Pleuelstange in einem Kurbelgehäuse unterhalb oder neben einer Arbeitskammer, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, anzuordnen.

Die Erfindung ist nicht auf das zuvor erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt. Im Rahmen der Anspruchsfassung sind vielfältige Abwandlungen und Ausgestaltungsvarianten denkbar, die beispielsweise die Form und Ausbildung und Dimensionierung der Doppelkolben-Schwenkplatte 15, 15' und der Arbeitskammer 2 oder den Verlauf der Führungsnut 17, der in der einen oder der anderen Richtung gekrümmt oder winklig abgeknickt sein kann, betreffen, um so die Antriebskräfte zu verändern oder den Druck- und Tempera- turverlauf oder das Fördervolumen zu beeinflussen. Gleichermaßen kann zur Einflussnahme auf die Leistung der vorzugsweise zwischen 50 und 60° liegende Arbeitswinkel der Arbeitskammer und dementsprechend der Schwenkwinkel der Doppelkolben-Schwenkplatte 15, 15' und der Kurbelra- dius 11 des Kurbelzapfens 18 variieren.

Bezugszeichenliste

I Gehäuse 2 Arbeitskammer (2')

3 Lagergehäuse

4 Kurbelgehäuse

5 linke Seitenwand v. 2

6 rechte Seitenwand v. 2 7 Stirnwand v. 2

8 Deckplatte v. 2

9 Drehzylinder

10 Lagerschalen (Viertelschalen) v. 3

II Kreisradius v.18 12 Ölsumpf

13 Dichtleisten

14 Schwenkachse

15 Doppelkolben-Schwenkplatte (15')

16 Pleuelstange 17 Führungsnut v. 16

18 Kurbelzapfen v. 19

19 Kurbelwelle

20 Drehpunkt v. 8

21 Exzenter v. 8 22 linkes Einlassventil

23 linkes Auslassventil

24 rechtes Einlassventil

25 rechtes Auslassventil

26 Lager v. 27 27 Antriebszapfen v. 9