此类活塞压缩机比如从WO2006/122658A1中公开。
根据本发明的活塞压缩机可以特别用作
内燃机。在本
说明书中展示了优选将活塞压缩机用作内燃机。然而根据本发明的活塞压缩机也具有其它的使用可能性,比如将活塞压缩机(Kolbenmaschine)用作压缩机(Kompressor)。
从上述文献中公开的活塞压缩机是旋转
活塞式压缩机,在已知的活塞压缩机的壳体中总共设置四个活塞,它们共同围绕与壳体固定的转轴回转。在围绕转轴的共同的回转中四个活塞实施往复运动,其中,形成活塞对的每两个活塞实施相互反向地往复运动,用以使在活塞对的两个活塞的端面之间限定的工作室交替地变大和变小。已知的旋转活塞式压缩机总共具有两个工作室,其中,工作室同向地变大和变小。四个活塞滑动地支承在活塞
保持架中,该活塞保持架与活塞和转轴一起回转。
为了实现工作室容积的周期性变大和变小,在使用已知的旋转活塞式压缩机作为内燃机的情况下发生进气、压缩、膨胀和排气的工作周期。
此外,单个活塞的往复运动从活塞围绕转轴的旋转中导出,其中活塞分别具有一个导向机构,该导向机构在与壳体固定的凸轮机构的控制凸轮中运行,其中,控制凸轮具有相应的波纹状的轮廓,用以从活塞围绕转轴的旋转中导出活塞的往复运动。
在将此类旋转活塞式压缩机用作内燃机的情况下,可以将活塞保持架的旋转传递到从动轴上,用以比如驱动
汽车。
同类的其它旋转活塞式压缩机比如从DE102005024751A1或WO03/067033A1中公开。在从DE102005024751A1中公开的旋转活塞式压缩机中,凸轮机构直接整合到壳体内壁中,从WO03/067033A1中公开的旋转活塞式压缩机也是如此。
前面描述的已知的活塞压缩机的缺点在于,对于进气、压缩、膨胀和排气的工作周期起决定性作用的活塞的往复运动从活塞围绕转轴的旋转中导出,迫使活塞保持架也要同活塞一起围绕转轴旋转。通过活塞围绕转轴的旋转产生了离心
力,其导致由
离心力引起的在活塞外壁和活塞
转子内壁之间的摩擦,这是因为活塞虽然与活塞保持架一起旋转,但必须实施相对于活塞保持架的往复滑动。这种往复运动基于作用在活塞上的离心力受到摩擦。因此,作用在活塞上的离心力影响已知的活塞压缩机的运行特性。
DE10115167C1还公开了一种径向活塞高压
泵,特别是作为用于内燃机喷油系统的
燃料泵。该高压泵具有可在泵头上径向移动的泵活塞,其往复运动通过包围泵活塞的可旋转的凸轮环产生,凸轮环具有相应轮廓的凸轮轨道。
因此本发明的目的在于,对文章开头所述类型的活塞压缩机进行改进,从而改善活塞压缩机的运行特性。
根据本发明,该目的关于文章开头所述的活塞压缩机如此实现,即凸轮机构可围绕转轴旋转地支承在壳体中,而至少一个第一活塞和第二活塞不能围绕转轴旋转,从而使至少一个第一活塞和第二活塞在凸轮机构围绕转轴旋转时在相对于转轴固定的运动平面中实施往复运动。
根据本发明的活塞压缩机从旋转活塞式压缩机的设计方案中得以实现,其中,活塞的往复运动不是从活塞围绕转轴的旋转运动中导出,而是从凸轮机构围绕转轴的旋转中导出,而活塞相对于转轴不旋转。因此消除了关于转轴作用在活塞上的离心力。至少一个第一活塞在相对于转轴固定的运动平面中实施其往复运动,而在已知的旋转活塞式压缩机中,单个活塞的往复运动的运动平面同样围绕转轴旋转。
根据本发明的活塞压缩机也可以具有比在已知的旋转活塞式压缩机中实质上更少的旋转部件,这是因为消除了活塞的旋转,且仅
质量很小的凸轮机构实施旋转运动,用以产生活塞的往复运动。
根据本发明的活塞压缩机的设计方案有利地用于一种设计中,其中,第二活塞位于至少一个第一活塞对面,第二活塞在凸轮机构旋转时实施与第一活塞反向的往复运动,其中,第二活塞具有第二端面,其面向第一活塞的第一端面,且工作室位于两个端面之间,在工作室中工作气体、特别是燃料-空气-混合物被压缩、点燃及膨胀。
比如从文章开头所述文献中公开的拳击手原理(其中两个活塞相互方向工作)的优点在于,在两个活塞的相对很小的行程下实现了工作室的较大的进气-排气容积。
在另一个优选的设计方案中,第二活塞具有导向机构,其与凸轮机构的控制凸轮啮合。
因此在该设计方案中两个相面对的活塞的往复运动相互独立地从凸轮机构围绕转轴的旋转中导出。其优点在于,为了产生第二活塞的往复运动无须在两个活塞之间设置机械连接器。此外,针对第一和第二活塞仅需要在凸轮机构中设置一个控制凸轮。
在另一个优选的设计方案中,转轴穿过工作室中央延伸。
该措施的优点在于,在将根据本发明的活塞压缩机用作内燃机的情况下,可以在壳体端面且在转轴上设置用于点燃工作室中的燃料-空气-混合物的点火装置。点火装置在转轴上的布置虽然也在比如从根据WO2006/122658A1的已知的旋转活塞式压缩机中设置,然而该文献中的点火装置的缺点在于,点火装置通过孔穿入旋转的活塞保持架,这会导致点火装置和旋转的活塞保持架之间的
密封性问题。与此相反,在根据本发明的活塞压缩机中,点火装置穿过壳体且因此穿过固定部分并且很容易实现密封。
在另一个优选的设计方案中,至少一个第一活塞滑动地支承在活塞保持架上,活塞保持架相对于壳体是固定的。
将至少一个第一活塞容纳在活塞保持架中的优点在于,活塞可以具有圆柱体形状,从而至少一个第一活塞的第一端面可以被设计成圆形的,且活塞可以滑动地支承在活塞保持架中的圆形孔中。在从WO2006/122658A1中公开的旋转活塞式压缩机也可以实现了这种设计,但区别在于,在该文献中活塞保持架与活塞一起围绕转轴旋转,而在本设计中活塞保持架被设计成是与壳体固定的。因此在已知的旋转活塞式压缩机中出现的由离心力引起的在活塞和活塞保持架之间的摩擦能够在根据本发明的活塞压缩机中予以避免。
在另一个优选的设计方案中,轴与凸轮机构保持有效连接,从而将凸轮机构的旋转转换成轴的旋转。
这里旋转运动的导出(比如用于驱动汽车)有利地通过旋转的凸轮机构实现,从而可以将凸轮机构的转动直接传递到轴的转动中,这避免了复杂的变速传动装置。
此外,优选使轴通过
蜗杆齿轮结构与凸轮机构连接。
通过这种方式可以使轴有利地直接与凸轮机构的外侧面啮合,由此进一步节省了凸轮机构和轴之间的可动部分。此外,轴优选垂直于转轴设置。
在另一个优选的设计方案中,在壳体中相对于转轴在端面具有进气口和出气口,其中,进气口和出气口借助于旋转滑
阀打开和关闭,旋转
滑阀具有开孔且围绕转轴以与凸轮机构相同的转数旋转。
有利的是,根据本发明的活塞压缩机能够使进气口和出气口直接紧靠转轴设置在壳体的端面部分中,而不会使进气口和出气口比如与旋转部件碰撞。在具有开孔的旋转滑阀上方以在设计上有利的特别简单的方式设有进气-和出气阀,用以使气体、比如燃料-空气-混合物进入工作室,以及将气体、比如燃烧过的燃料-空气-混合物从工作室中排出,其中,通过与凸轮机构的旋转速度相同的旋转滑阀的旋转速度,使得进气和出气的时间点与至少一个第一活塞的往复运动同步。
此外,在有利的设计方案中,旋转滑阀的旋转从凸轮机构的旋转中通过传动装置以1∶1的转数比导出。
这种传动装置可以又如在上述的轴的情况下通过在凸轮机构的外侧面和用于旋转滑阀的
驱动轴之间的蜗杆齿轮结构进行设计。
在另一个优选的设计方案中,在壳体中总共设置四个活塞,其中至少第一和第二活塞形成第一活塞对,以及第三和第四活塞形成第二活塞对,其中,第二活塞对限定第二工作室,第二工作室与通过第一活塞对限定的工作室位于同一平面,其中,第一和第三活塞的往复运动是相同定向的,且第二和第四活塞的往复运动是相同定向的。
在根据本发明的活塞压缩机的这种设计方案中,虽然如同已知的旋转活塞式压缩机一样具有四个活塞和两个工作室,但与已知的旋转活塞式压缩机不同的是,根据本发明的活塞压缩机的两个工作室反向地变大和变小,即如果一个工作室具有其最小容积,则另一个工作室具有其最大容积,反过来一样。其优点特别是结合根据本发明的方案在于,活塞在壳体中不再围绕转轴旋转,其中,一方面如前所述在活塞上没有离心力的作用,且另一方面两个通过其对立于端面的背面相邻的活塞,即第一和第三以及第二和第四活塞,共同在相同的方向上往复运动。由此减小了运行中的活塞压缩机的震动。
在活塞压缩机总共具有四个活塞的设计方案中,第三和第四活塞也分别具有一个导向机构,其中,这两个导向机构啮入凸轮机构的另一个控制凸轮中。
其优点在于,所有四个活塞的往复运动通过凸轮机构明确限定。
在另一个优选的设计方案中,第一和第三活塞在其相互面对的面上相连接,且第二和第四活塞同样在其相互面对的面上相连接。
其优点在于,通过凸轮机构的满转始终确保了活塞的导向机构以直接的和可靠的
接触贴靠在凸轮机构的各个控制凸轮上,因为第一和第三以及第二和第四活塞之间的连接使得往复运动时在活塞之间存在拖拽或携带效应。
其它的优点和特征从下面的描述以及
附图中给出。
可以这样理解,前述的和下面还将说明的特征不仅可以在各个给出的组合中,而且可以在其它的组合中或独立使用,不会脱离本发明的范围。
在图1至5中展示了整体上以附图标记10表示的活塞压缩机。活塞压缩机的其它细节在图6和7中展示。
在该实施方式中活塞压缩机10用作内燃机,比如用于载重汽车。
活塞压缩机10具有壳体12,其由多个壳体扇形部构成。不过在此不局限于基本上呈球形对称的壳体12。
相对于下面还将说明的转轴14,壳体12具有第一端面壳体扇形部16和与之相面对的第二端面壳体扇形部18以及在圆周方向上围绕转轴14的作为壳体12的主要组成部分的一个或多个壳体扇形部20。
在壳体12中总共设置四个活塞,即第一活塞22、第二活塞24、第三活塞26以及第四活塞28。
所有四个活塞22至28设置在共同的平面上,如特别从图2至4可见。
第一活塞22具有第一端面30,第二活塞24具有第二端面32,第三活塞26具有第三端面34,以及第四活塞28具有第四端面36。
第一活塞22和第二活塞24在其各个端面30和32之间限定第一工作室38,第三活塞26和第四活塞28在其各个端面34和36之间限定第二工作室40。
活塞22至28在壳体12中实施往复运动,其中,该往复运动作为围绕摆动轴41的摆动进行,该摆动轴垂直于上述的转轴14延伸且相对于壳体12固定。这里活塞22至28被设计成相应弯曲的圆柱体形。可以这样理解,活塞22至28在变型的实施方式中代替摆动也可以实施垂直于或倾斜于转轴的直线往复运动,且不必再做相应的弯曲。
为了产生活塞22至28的往复运动,在壳体12中还设置凸轮机构42。
凸轮机构42被设计成其圆周完全环绕转轴14延伸的且在圆周方向上封闭的环件,且从转轴14的方向上观察,凸轮机构42相对于活塞22至28径向地设置在活塞22至28外部且大致位于端面的壳体扇形部16和18的正中间即大致位于壳体12的中央。
凸轮机构42围绕转轴14借助于两个环形
轴承44、46可旋转地支承在壳体12中。
因此凸轮机构42可以围绕被视为几何轴线的转轴14在壳体12中旋转,其中,凸轮机构42的旋转还用于产生活塞22至28的往复运动。
此外,凸轮机构42具有第一控制凸轮48和第二控制凸轮50,其中,这两个控制凸轮48、50相对于转轴轴向并排设置且分别完全在圆周上环绕转轴14延伸。
与第一活塞22连接的导向机构52以及与第二活塞24连接的导向机构54与控制凸轮48啮合。与第三活塞26连接的导向机构56以及与第四活塞28连接的导向机构58与控制凸轮50啮合。
导向机构52至58被设计成
滑轮且被设置在活塞22至28的背向各个端面30至36的背面上。
如在图2中举例所示,导向机构52通过与活塞22固定连接的轴颈60可旋转地支承在活塞22上。
代替如在所示的实施例中的滑轮,导向机构52至58也可以由支承在活塞22至28中的球盘(Kugelpfannen)中的小球,或由导靴或由其它形状的滑轮形成。
活塞22至28还滑动地支承在活塞保持架62中,该活塞保持架相对于转轴14在壳体12中固定地、因此与壳体12抗扭地连接。
这里活塞保持架62针对第一活塞22和第二活塞24具有圆形孔64,以及针对第三活塞26和第四活塞28同样具有圆形孔66,从而使活塞22和24滑动支承在孔64中以及使活塞26和28滑动支承在孔66中。优选具有圆形横截面的活塞22至28因此可以通过圆形
密封圈(比如图3中的活塞22的密封圈68)密封地在孔64或66中滑动,从而将工作室38和40密封。此外,孔64和66的圆周壁与端面30、32或34、36共同限定工作室38或40,从而使工作室38或40基本上具有圆柱体形状。
在凸轮机构42围绕转轴14旋转时,控制凸轮48和50沿导向机构52至58运行,相应于控制凸轮48和50的相对于转轴14由“峰”和“谷”组成的轮廓产生活塞22至28的往复运动。
活塞22至28中的每个活塞在两个最终位置之间实施其往复运动,其中,活塞22至28的运动始终在相同的运动平面上发生,针对四个活塞22至28的该运动平面在图2至4中是绘图平面。因此活塞22至28不像在已知的旋转活塞式压缩机那样围绕转轴14回转。与此相反,活塞22至28始终位于壳体12中的基本上中心的平面中。
此外,第一活塞22和第二活塞24实施相互反向的运动,且第三活塞26和第四活塞28同样实施相互反向的运动。第一活塞22的往复运动相对于第三活塞26的往复运动是相同定向的,且第二活塞24的往复运动与第四活塞28的往复运动相同定向。这使得工作室38和40不是同向地变大和变小,而是当工作室38的容积变小时,工作室40变大,或者反过来一样。
在图2中展示了在其最终位置中的第一活塞22和第二活塞24,该最终位置被表示为上部死点(OT),在该位置中活塞22和24最大程度地运动到一起且工作室38相应地具有最小容积。
同时活塞26和28位于表示为下部死点(UT)的最终位置中,在该位置中活塞26和28最大程度地相互间隔且工作室40相应地具有最大容积。
图3展示了活塞22和24以及26和28的中间位置,在该位置中活塞22至28从其在图2中的各个最终位置在朝向另一个最终位置的方向上运动一半距离。从图2至图3的过渡由凸轮机构42围绕转轴14作90°旋转而产生。
图4展示了从图3出发的进一步作90°旋转的与图2相反的情况,其中,活塞22和24达到其UT位置,而活塞26和28达到其OT位置。
在图6中展示了活塞22和24的OT位置以及同时的活塞26和28的UT位置连同所属的凸轮机构42的旋转位置的立体视图,且在图7中展示了相反的情况,即活塞22和24的OT位置以及活塞26和28的UT位置。
第一活塞22和第三活塞26在其背向端面30和34的背面上相互连接,且优选弹性地比如通过拉力
弹簧68相连,且第二活塞24和第四活塞28相应地同样优选弹性地相互连接,即比如通过拉力弹簧70相连。第一活塞22和第三活塞26之间的连接以及第二活塞24和第四活塞28之间的连接引起在第一活塞22和第三活塞26之间以及在第二活塞24和第四活塞28之间的相互反向的拖拽或携带效应,由此导向机构52至58可靠地与控制机构42的控制凸轮48或50保持接触。活塞22和26以及活塞24和28之间的弹性连接允许在活塞之间具有极小的弹性间隙。
为了使凸轮机构42的旋转在活塞压缩机10的运行中用作驱动力,凸轮机构42与轴72(图1)保持有效连接。在图2至4中展示了轴72的端部74、76,在该端部上可以比如连接汽车或设备组的传动支路。
根据图6和7,凸轮机构42在外侧面上具有蜗杆齿轮结构78,且轴72具有相应的
外齿,其与凸轮机构42的蜗杆齿轮结构78相互啮合,使得在凸轮机构42围绕转轴14旋转时轴72围绕其纵向中
心轴旋转。轴72以特别简单的设计方式垂直于转轴14延伸,即为了在凸轮机构42和轴72之间传递转动仅需要在两个部件之间的齿轮啮合而无需传动装置的其它部件。
下面描述活塞压缩机10的其它设计要点。
第一工作室38配设有进气口80和出气口82,其中,进气口80和出气口82直接紧靠转轴14设置在端面的壳体扇形部16中。
工作室40以相应的方式在壳体扇形部86中配设有进气孔84和出气口86。
在进气孔80中还设置由燃料输送装置88以及在出气口84中还设置有燃料输送装置90。
因此通过进气孔80可以将由燃料输送装置88、比如
喷嘴输送的由新鲜空气和燃料组成的混合物输入工作室38中。在接着向UT位置移动的活塞22和24的OT位置中开始输入新鲜空气,也可以在刚要到达UT位置时才喷入燃料。接下来活塞再次运动到OT位置中,其中压缩混合物。在活塞22、24的新一轮的OT位置中,混合物可以借助于点火装置92、比如
火花塞被点燃,紧接着活塞22和24爆发式地相互运动开来,即发生膨胀的工作周期。在活塞22和24重新到达OT位置之后,在活塞22和24返回运动到UT位置时,燃烧过的混合物通过出气口82被排放,如在四冲程设备中公开的那样。
为工作室40设置相应的点火装置94。
为了打开和关闭进气孔80和出气口82,在壳体12中设置旋转滑阀96,为了关闭进气孔84和出气口86在壳体12中设置旋转滑阀98。
这两个旋转滑阀96和98分别仅具有一个环绕转轴14限定的开孔,其中,在图1中展示了旋转滑阀98的开孔100。
两个旋转滑阀96和98可围绕转轴14旋转地支承在壳体12中,其中,旋转滑阀96和98以与凸轮机构42相同的转数围绕转轴14旋转。
此外,旋转滑阀96和98的旋转从凸轮机构42的旋转中导出,该凸轮机构通过传动装置102与旋转滑阀96和98连接,传动装置将凸轮机构42的转数以1∶1的比例传递为旋转滑阀96和98的转数。
传动装置102具有轴104,该轴通过齿轮106与凸轮机构42的外齿78啮合,用以使轴104围绕其纵轴线旋转,其中,轴104承载端部的齿轮108、110,齿轮108、110与齿轮112、114啮合,齿轮112、114又与旋转滑阀96、98上的外齿啮合。
通过从凸轮机构42的旋转中导出旋转滑阀96、98的旋转,使得达到旋转滑阀96和98的转数与凸轮机构42的转数的最佳同步,且因此可以在各个正确的时间点根据凸轮机构42的转数打开进气孔80、84和出气口82、86。
下面参照图8详细描述活塞压缩机10的工作方式。
该描述以活塞22和24的OT位置且因此活塞26和28的UT位置为出发点。因此,工作室38具有最小容积,且工作室40具有最大容积。
如果在工作室38中事先压缩了燃料-空气-混合物,则燃料-空气-混合物从活塞22和24的OT位置开始在工作室38中被点燃,如通过图8中的闪电状的点火火花所示。在凸轮机构42围绕转轴14作90°回转之后,活塞22和24从OT位置运动到UT位置中,且开始工作(膨胀)的工作周期。
在根据图1的旋转滑阀98的相应的位置的情况下,燃料-空气-混合物进入工作室40,且在前面描述的凸轮机构42作90°旋转期间,活塞26和28从UT位置运动到OT位置,由此将燃料-空气-混合物在工作室40中进行压缩。
在凸轮机构42围绕转轴14作下一个90°旋转的情况下,工作室38中这时发生后续的将燃烧过的燃料-空气-混合物排出的工作周期,而工作室40中同时发生在点燃燃料-空气-混合物之后的工作(膨胀)的工作周期。在该周期结束时活塞22、24位于OT位置,活塞26、28位于UT位置。
在凸轮机构42围绕转轴14作下一个90°旋转期间,在工作室38中发生新一轮燃料-空气-混合物的吸入的工作周期,且在工作室40中发生燃烧过的燃料-空气-混合物的排出的工作周期。在该周期结束时活塞22、24位于UT位置,活塞26、28位于OT位置。
在凸轮机构42以90°围绕转轴14作下一轮旋转时,在工作室38中发生压缩的工作周期以及在工作室40中发生新一轮燃料-空气-混合物的吸入的工作周期。在该周期结束时活塞22、24位于OT位置,活塞26、28位于UT位置。
因此在凸轮机构42以360°围绕转轴14作一次满转期间,在两个工作室38和40中发生工作、排气、吸气、压缩这四个工作周期,其中,在工作室38中的工作周期以90°作
相位移动。
如果将两个活塞压缩机10并联,则出现具有总共四个工作室的活塞压缩机,且如果选择这种设置,即在第二活塞压缩机的两个工作室中工作周期不仅彼此之间而且相对于第一活塞印刷机10的工作室38和40中的工作周期分别作90°相位移动,则总共实现了这样一种活塞压缩机,即在其中在两个凸轮机构每作一次90°回转时发生工作(膨胀)的工作周期,从而以这种方式在如在8缸
马达中作360°回转时连续按顺序实现四个工作(膨胀)的周期。