DE2353008A1 - Schwingkolbenmaschine - Google Patents

Description

Schwinglcolbenmaschine ' -.'-..

Die Erfindung betrifft' eine Schwingkolbeniaaschine mit kugelförmigem Gehäuse und mindestens einem Kolbenflügel_v der um eine durch die Kugelsiitte verlaufende Achse Drehschwingungen ausführt. / J . ,

Schwinglcolben können bevorzugt in Gehäusen kleiner Abmessungen angeordnet herden. Die-Schwingkolben, führen bei derartigen Haschinen'Drehschwingungen um eine gemeinsaiae Mittellinie aus, so daß sich insbesondere die Kugelform zur Ausbildung des Gehäuses anbietet. Durch diese Gestaltung ist das Gehäuse in der Herstellung sehr preisgünstig. Außerdem kann auf kleinem Raum ein großes Drehmoment erzeugt bzw. abgenommen werden, da die einzelnen Hübe gleichmäßig über den Umfang des Gehäuses verteilt sind. 509817/0649

Bei einem Schwingkolbenverdichter sind zwei gegeneinander bewegliche Schwingflügel verwendet worden. Diese stützen sich über Rollen, die an ihrem dem Drehpunkt abgelegenen Flügelende gelagert sind, auf kegelig gestalteten Führangsbahnen ab. /Bei jedem Umlauf werden die Flügel zum Ansaugen und Komprimieren des Gases aufgrund einer entsprechenden Gestaltung der Führungsbahnen aufeinander zu und voneinander weg bewegt. Ein erheblicher ÜTachteil dieser Anordnungen besteht darin, daß die Führungsbahnen sehr teuer in der Herstellung- sind. Außerdem unterliegen die Führungsbahnen einem hohen Verschleiß, so daß schon in relativ kurzer Zeit die Bewegungen der Schwingflügel nicht mehr genau gesteuert werden. Das Fachjustieren erfordert eine weitgehende Demontage des Verdichters und kann nur von geschulten Fachkräften vorgenommen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schwingkolbenmaschine zu schaffen, deren Schwingflügel eine die Genäuseform gut ausnutzende Gestaltung aufweist und mit einfachen und sicheren Mitteln gesteuert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolbenflügel mit dem Gehäuse und mindestens einer gegenüber dem Kolbenflügel festen Innenwand mindestens eine Kammer veränderlichen Volumens bildet, die mit einer senkrecht zur Achse verlaufenden Welle zur Beaufschlagung von Einlaß- und Auslaßschlitzen drehbar gelagert ist, und der Kolbenflügel und die Welle über eine Drehverbindung

509 817/0649

miteinander im Eingriff stehen.

Der Kompressionsraum wird nur auf einer Seite von dem Kolbenflügel begrenzt. Dadurch wird es vermieden, daß die Bewegungen zweier "beweglicher Teile" aufeinander abgestimmt werden müssen. Die Steuerung kann daher'mit einfachen Mitteln, beispielsweise mit einem verschleißfesten Exzenterantrieb herbeigeführt werden. Außerdem kann durch eine entsprechende Auswahl in der übersetzung die Steuerung so beeinflußt werden, daß bei jeder Umdrehung der Welle in der Kammer mehrere Arbeitsspiele stattfinden. Schließlich ; ergibt sich auch eine leichte Lösung des Kühlproblems, da das Kühlmedium ohne Schwierigkeit an die feste Innenwand und das' Kugelgehäuse herangeführt werden kann. Der Kolben-^ flügel wird von einströmendem !Frischgas auf der einen Seite gekühlt, wenn er mit seiner anderen Seite das heiße Abgas aus dem Auslaßschlitz herausdrückt. ■

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das kugelförmige Gehäuse durch mehrere Innenwände in eine Vielzahl von Kammern unterteilt,, und eine erste Gruppe von Innenwänden durchdringt sich auf einer gemeinsamen Birchmesserlinie und eine zweite Gruppe verläuft einander parallel und senkrecht zu den Wandungen der ersten Gruppe, und in den Kammern sind Kölbenflügel vorgesehen. Durch die Vielzahl von Kammern wird es erreicht, daß das an der Welle zur Verfügung stehende Drehmoment gleichmäßig auf mehrere Kammern des Umfangs verteilt ist. Auf diese Weise kann ein sehr gleichmäßiger Drehmomentenverlauf während einer Umdrehung herbeigeführt werden.

509817/0649

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungs-r form der Erfindung beispielsweise veranschaulicht ist.

In den Zeichnungen zeigen:

5¹Ig. 1 einen Querschnitt durch eine Schwingkolbenmaschine mit einem in der Mitte liegenden Triebwerk,

'</ I¹Ig. 2 einen Querschnitt durch eine Schwingkolbenmaschine in Richtung des Pfeiles A in 3?ig. 1,

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Schwingkolbenmaschine entlang der.Linie C-O in Pig. I und

!Pig. 4- einen Querschnitt durch eine Schwingkolbenmaschine in Richtung des Pfeiles B in Fig.

Die Beschreibung der Schwingkolbenmaschine geht aus von einer Ausführungsform, bei der acht feste Innenwände 1 bis 8, ein kugelförmiges Gehäuse 9 und ein in eine obere und untere Hälfte 10 bzw. 11 unterteilter Kolbenflügel 12 vorgesehen ist. Die obere Hälfte 10 ist in Pig. 2, die untere Hälfte 11 ist in Fig. 4 zu erkennen. Die beiden Hälften 10, 11 sind entsprechend der Einstellung eines oberen Exzenters 13 gegenüber einem unteren Exzenter 14- um einen Winkel von 90° gegeneinander verschwenkt. Sie liegen dabei an den ihnen benachbarten Innenwänden 1, 3 im oberen Teil 15 bzw. 6, 8 im unteren Gehäuseteil 16 an.

509817/0649

Die obere Hälfte 10 des-Kolbenflügels 12 ist auf einem oberen Achsstumpf I?, die untere Hälfte 11 auf einem unteren Achsstumpf 18 drehbar gelagert. Die beiden Hälften 10, 11 sind über Wellenstümpfe 19, 20 mit den Exzentern 13, 14- festverbunden. Diese stehen über Schubstangen 21, 22 mit einem Winkelgetriebe 23 in Yerbindung, das die Bewegung der Elügelhälften 10, 11 in die Drehbewegung einer Welle 24- umsetzt. Das Getriebe 23 ist im Inneren des kugelförmigen Gehäuses 9 zwischen zwei Zwischenböden 25, 26 angeordnet.. In diesen sind die Wellenstümpfe 19, 20 und die einzelnen Räder des Winkelgetriebes 23 gelagert. Außerdem sind auf den Zwischenboden 25, 26 die Innenwände 1 bis so befestigt, daß sie senkrecht auf den Zwischenböden stehen und Winkel von 90° miteinander bilden. Dabei sind die Zwischenwände 1 und 4- bzw. 2 und 3 bzw. 5und 8 bzw. 6 und 7 in der Weise gegeDeaoanaer versetzt, daß der Kolbenflügel 12 sich zwischen ihnen bewegen kann und in seinen äußersten Stellungen glatt auf den geweiligen Innenwandungen aufliegt.

Im Gehäuse 9 sind Ansaug- bzw. Auslaßschlitze 27 vorgesehen. Außerdem befinden sich in den Innenwandungen 1 bis 8 Kompressionsräume 28, denen jeweils eine Zündkerze 29 zugeordnet ist; soweit es sich bei der Schwingkolbenmaschine um einen Verbrennungsmotor handelt.

Die Innenwandungen 1 bis 8 bilden mit den Zwischenböden 25 bzw. 26 und dem Gehäuse 9 Kammern 30, in denen bei Ver-

509817/0649

brennmgskraftmaschinen die Arbeitsspiele stattfinden, während sie bei Kompressoren zum Verdichten des angesaugten Gases dienen. Dem jeweiligen Ablauf des Arbeitsspiels in einer der Kammern 30 ist die Lage der Ansaug- bzw. Auslaßschlitze 27 im Gehäuse 9 zugeordnet. Abhängig von der Übersetzung im Getriebe 23 findet in jeder Kammer 30 bei jeder Umdrehung der Welle 24- ein- oder mehrmals ein Arbeits spiel statt. Abhängig von der Anzahl der Arbeitsspiele pro Umdrehung muß eiiE ent sprechende Anzahl von Ansaug· bzw. Aus laßschlitzen 27 auf der Kugeloberfläche vorgesehen sein. Falls diese durch die Vielzahl der vorgesehenen Schlitze 27 zu stark in ihrer Festigkeit geschwächt wird, müssen statt der Schlitze 27 entsprechende Einlaßventile vorgesehen sein, die allerdings eine besondere Steuerung benötigen. Die Einlaß- bzw. Auslaßschlitze 27 werden demgegenüber von den unter ihnen vorbeilaufenden Innenwänden 1 bis 8 gesteuert.

Bei einer einfachen Ausführungsform der Maschine läuft bei jeder Umdrehung der Welle 24- folgender Prozeß ab: Während sich die obere Hälfte 10 des Kolbenflügels 12 von einer Innenwandung 1 (!"ig. 2) nach rechts in Richtung auf die Innenwand 4- bewegt, wird gleichzeitig durch die in Richtung nach unten wegwandernde Innenwand 1 der Ansaugschlitz 27 freigegeben. Durch diesen strömt i4 die... A: V des Kolbenflügels 12 entstehende Kammer 30 zündfähiges Gemisch ein. Dieser Torgang ist beendet, wenn der Kolben,-flügel 12 die Innenwandung 4 erreicht hat. Zu diesem Zeitpunkt ist auch die Kammer 30 aus dem Einflußbereich des

5Q9I17/P640

Ansaugschlitzes 27 nach unten weggewandert, so daß in der nun allseitig verschlossenen Kammer 30 beim Zurücklauf des Kolbenflügels 12 in Richtung auf die Innenwand 1 eine Kompression stattfinden kann. Biese erreicht ihren Höhepunkt, wenn der Kolbenflügel 12 die Innenwand 1 erreicht hat. In diesem Augenblick erfolgt durch die Zündkerze 29 die Zündung, so daß der Kolbenflügel 12 im Arbeitstakt wieder in Richtung auf die Innenwand 4 wandert. Beim Weit er drehen der Kammer 30 innerhalb des Gehäuses 9 öffnet die Innenwand 1 einen nicht dargestellten Auslaßschlitz, so daß der von der Innenwand 4 in Richtung auf die Innenwand 1 zurückwändernde Kolbenflügel 12 das verbrannte Gas aus dem nicht dargestellten Auslaßschlitz ausstoßen kann. Sobald der Kolbenflügel 12 die Innenwand 1 wieder erreicht hat, hat die betrachtete Kammer 30 und damit die Welle 24 eine Umdrehung innerhalb des Gehäuses 9 vollzogen. In ähnlicher Weise findet ein Arbeitsspiel in derselben Kammer 30 auf der Rückseite der oberen Hälfte 10 des Kolbenflügels 12 statt. Außerdem finden entsprechende Arbeitsspiel in der der betrachteten Kammer 30 im Oberteil 15 des Gehäuses 9 benachbarten Kammer statt* Auf diese Weise finden alleine im Oberteil 15 des Gehäuses9 während eines Umlaufs der Welle 24 vier Arbeitsspiele statt. Außerdem finden während des gleichen Umlaufes der Welle 24 im unteren Gehäuseteil 16 ebenfalls vier Arbeitsspiele statt, so daß bei jedem Umlauf der Welle-24 acht Arbeitsspiele stattfinden. Auf diese Weise wird eine sehr gute Verteilung des an der Welle 24 abnehmbaren Drehmomentes während eines: Umlaufes erzeugt.

5 09817/06 49

Durch eine andere Auswahl des Übersetzungsverhältnisses am Getriebe 23 kann die Anzahl der Arbeitsspiele in den Kammern 30 pro Umdrehung der Welle 24 noch vergrößert werden. Außerdem ist es denkbar, daß durch die Anordnung weiterer Innenwände 1 bis 8 bzw. weiterer Böden 25, 26 bzw. weiterer Kolbenflügel 12 die Anzahl der Kammern 30, in denen Arbeitsspiele stattfinden können, erheblich erhöht wird. Bei der hier betrachteten Ausführungsform kann ein weiterer Kolbenflügel 12 beispielsweise auch in den zwischen den Innenwänden 1 und 2 bzw. 3 und 4 bzw. 5 und bzw. 7 und 8 liegenden Innenräumen angeordnet werden.

Die einfachste Ausführungsform der .örfindungsgemäßen Schwingkolbenmaschine weist lediglich zwei Innenwände auf, so daß der Kolbenflügel 12 von der einen Innenwand bis zur nächsten einen Winkelweg von 180° zurücklegt. Diese einfachste Ausführungsform ist aber nur für kleine Leistungen denkbar. Bei größeren Leistungen wird der bei einer Winkeldrehung von 180° bestrichene Hubraum so groß, daß die angesaugte Menge des explosionsfähigen Gemisches nicht mehr gleichmäßig über den gesamten Hubraum verteilt werden kann. Auf diese Weise werden die in der Maschine auftretenden einseitigen Belastungen bei federn Arbeitsspiel so groß, daß von der Maschine kein gleichmäßiges Drehmoment abgegeben werden kann.

Statt des dargestellten Getriebes 13, 14, 21, 22, 23 kann auch eine andere Getriebeanordnung gewählt werden, mit der der gleiche Zweck erfüllt werden kann. Vorteilhaft

509817/0649

ist aber die Anordnung des Getriebes in der Mitte des kugelförmigen Gehäuses 9,' da es hier durch einen ständigen Öldunst ausreichend geschmiert wird. Durch eine entsprechende Anordnung des Getriebes können die einzelnen Teile 10, 11 des Kolbenflügels 12 auch in anderer Weise gegeneinander versetzt sein. In diesem Falle müssen aber die Ansaug- bzw. Ausstoßkanäle27 in entsprechender Weise im Gehäuse 9 angeordnet werden. Dabei ist darauf zu achten, daß die Festigkeit des Gehäuses 9 ausreichend erhalten bleibt. Entscheidend ist aber, daß die Flügel immer gegenläufig arbeiten sollten, damit auf jeder Flügelseite Arbeitsspiele stattfinden können. Durch die Anordnung .weiterer Innenwände 1 bis 8 bzw. weiterer Zwischenboden 25, 26 können die Kammern JO erheblich verkleinert werden. Auf diese Weise wird auch der Hub des Kolbenflügels 12 in jeder Kammer klein, so daß auch nur geringe Flügelbewegungen notwendig sind. Durch kleine Flügelbewegungen verbessert sich das dynamische Verhalten der gesamten Maschine. Außerdem können auf diese Weise die Flügel 12 kurz ausgebildet werden, so daß . auf die Achsen 17, 18 nur kleine Biegemomente einwirken. Diese Achsen -verhindern im übrigen ein Verbiegen der Kolbenflügel 12 unter der Einwirkung des Explosionsdruckes.

Die kugelförmige Gestalt des Gehäuses 9 bringt eine hohe Festigkeit mit sich. Das Gehäuse ist im übrigen billig herzustellen. Weitere Vorteile ergeben sich daraus, daß eine Ventilsteuerung nicht notwendig ist. Außerdem kann auf einfache Weise ein Schmierfilm inerhalb des Gehäuses

509817/06 49

erzeugt werden, so daß ein Heißlaufen der Innenwände 1 bis 8 und des Kolbenflügels 12 am Gehäuse 9 verhindert wird. Schließlich können innerhalb der Innenwände 1 bis 8 und des Kolbenflügels 12 Künlkanäle angeordnet werden, die von dem zwischen den Zwischenboden 25, 26 liegenden Raum mit Kühlflüssigkeit versorgt werden. Die auf die Zwischenboden 25, 26 einwirkende Explosionskraft bringt einen zusätzlichen Anteil von nutzbarem Drehmoment.

Grundsätzlich vird die Maschine im Viertaktbetrieb arbeiten. Es ist aber auch möglich, durch Anordnung entsprechender Überströmkanäle zwischen zwei aufeinander folgenden Kammern 30 die Verbrennungsgase so zu leiten, daß die Maschine im Zweitaktverfahren arbeitet.

509 817/0649

Claims (1)

1. - II -

   Patentansprüche . ."".-""

   l.ySchwingko Ib enmas chine mit kugelförmigem Gehäuse und mindestens einem Kolbenflügel, der- um eine durch die Kugelmitte verlaufende Achse Drehschwingungen ausführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Eölbenflügel (12) mit dem Gehäuse (9) und mindestens einer gegenüber dem Kolbenflügel (12) festen Innenwand (1 bis 8) mindestens eine Kammer (30) veränderlichen Tolumens bildet, die mit einer senkrecht zur Achse "(1.7V 18) verlaufenden Welle (24) zur Beaufschlagung von Einlaß- und Auslaßschlitzen (27) drehbar gelagert ist und der Kolbenflügel (12) und die Welle (24) über eine Drehverbindung· miteinander im Eingriff stehen.

   2. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das kugelförmige Gehäuse (9) durch mehrere Innenwände (1 bis 8) und Böden (25_S 26) in eine Vielzahl von Kammern (30) unterteilt ist und die Innenwände (1 bis 8) sich auf einer gemeinsamen Durchmesserlinie durchdringen und die Böden (25» 26) einander parallel und senkrecht zu den Innenwandungen (1 bis 8) verlaufen und in den Kammern (30) Kolbenflügel (12) vorgesehen · sind.

   3ο Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der dehbaren Verbindung zwischen Kolbenflügel (12) und Welle (24) ein

   509 8 1 7/06 49 .

   Getriebe (21, 22, 23) im Gehäuse (9) vorgesehen ist.

   4. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Untersetzung des Getriebes (23) der Anzahl der pro Umdrehung der Welle (24-) in jeder Kammer (30) stattfindenden Arbeitsspiele des Kolbenflügels (12) entspricht und eine entsprechende Anzahl von Einlaß- und Auslaßschlitzen (27) im Gehäuse (9) vorgesehen ist.

   5. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Einlaß- und Auslaßschlitze (27) Ventile vorgesehen sind.

   6. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (9) für einen Zweitaktbetrieb Überströmkanäle vorgesehen sind.

   7. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Getriebe (23) in einem in der Kugelmittel durch zwei Zwischenböden (25, 26) begrenzten Innenraum angeordnet ist.

   ■8. Schwingkolbenmaschine nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenflügel (12) als sich gegenüberliegende halbkreisförmige Scheiben (10, 11) ausgebildet sind, die auf zwei sie durchdringenden Achs stumpfen (17, 18) gelagert sind. !

   509817/0649