EP2032801A1

EP2032801A1 - Rotationshubkolbenmaschine

Info

Publication number: EP2032801A1
Application number: EP05825337A
Authority: EP
Inventors: Hans-Gerd RÜCKER; Rainer Guder; Ralf Georg Lipiensky; Manfred THÖNNESSEN
Original assignee: Dezmotec AG
Current assignee: Dezmotec AG
Priority date: 2005-12-21
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2009-03-11
Also published as: SA07280112B1; BRPI0520762A2; IL192385A0; AR058612A1; US20090266316A1; US8316817B2; MX2008008133A; CN101371006A; CA2634854A1; WO2007079766A1

Abstract

Die Rotationshubkolbenmaschine hat einen in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor in dem mehrere Kolben in Radialrichtung zwischen einem äusseren und einem inneren Totpunkt beweglich sind. Jeder Kolben hat eine Kolbenstange, die auf einem Querschaft sitzt, welcher an jedem Ende an einem Gleitstück befestigt ist, das in radialen Nuten in dem Rotor auf beiden Seiten des Kolbens verschiebbar ist. Die Gleitstücke haben auf ihrer von dem Kolben abgewandten Aussenseite je einen Zapfen, der in einer gehäusefesten, sternförmigen Endlosführungsnut aufgenommen ist. Die Führungsnut erstreckt sich um eine Rotationsachse des Rotors herum und veranlasst die Bewegungen der Kolben in Radialrichtung zwischen den inneren und äusseren Totpunkten.

Description

ROTATIONSHUBKOLBENMASCHINE

Die Erfindung bezieht sich auf eine Hubkolbenmaschine und insbesondere auf eine Rotationshubkolbenmaschine, welche sowohl als Arbeitsmaschine sowie auch als Brennkraftmaschine, insbesondere als Viertaktbrennkraftmaschine eingesetzt werden kann.

Bei den herkömmlichen Hubkolbenmaschinen erfolgt die Kraftübertragung von den Kolben über Pleuelstangen auf eine Kurbelwelle. In dem Zylinderkopf sind Auslassventile und Einlassventile vorgesehen, die von der Kurbelwelle über eine oder mehrere Nockenwellen gesteuert werden. Die herkömmliche Hubkolbenmaschine hat verhältnismässig grosse Abmessungen und ist aus einer grossen Zahl von verschiedenen Einzelteilen zusammengebaut . Herkömmliche Motororen haben sehr grosse Schwierigkeiten über einen längeren Zeitraum mit Biotreibstoffen zuverlässig zu laufen, da Biotreibstoffe immer ein gewisses Mass an Fremdstoffen beinhalten, die sehr schlecht herauszufiltern sind. In erster Linie sind im Motorraum die Ein- und Auslassventile und alles was mit den Ventilen zusammenhängt, betroffen. Sie verkleben nach kürzester Zeit und lassen sich nicht mehr steuern, die Folge ist dass der Motor gereinigt werden muss. Aufgabe der Erfindung ist es eine Hubkolbenmaschine zu schaffen, welche einen kompakten, einfachen und leichten Aufbau mit verhältnismässig wenigen Einzelteilen aufweist und wobei keine Ein- und Auslassventile erforderlich sind.

Gemäss einer ersten Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Hubkolbenmaschine entsprechend dem unabhängigen Patentanspruch 1.

Durch den Wegfall des herkömmlichen Zylinderkopfes, der Pleuelstange, der Kurbelwelle, der Nockenwelle (n) sowie der Ein- und Auslassventile mit ihren Steuereinrichtungen wird ein kleineres Bauvolumen sowie eine Verminderung an Material, Gewicht und benötigtem Raum erreicht. Durch den Wegfall der Ventile kann die Hubkolbenmaschine bei der Ausführung als Motor auch länger mit Biogas betrieben werden bevor eine Reinigung oder Wartung erfolgen muss.

Durch die geringe Anzahl an Bauteilen, es werden ca. 60 Bauteile benötigt, was eine Verringerung von mehr als 50% bedeutet, verringern sich auch die Herstellungskosten. Darüberhinaus ermöglicht der Aufbau der erfindungsgemässen Hubkolbenmaschine einen einfachen Zusammenbau und eine einfache Wartung. Da keine Ventile mit der zugehörigen Ventilsteuerung vorgesehen sind, ergibt sich ausserdem eine geringere Geräuschentwicklung. Im Hinblick auf eingesparte Reibungsverluste wird eine Wirkungsgradsteigerung von bis zu 60% erwartet. Da eine Kraftübertragung über Pleuelstangen auf eine Kurbelwelle entfällt, wirken keine Querkräfte auf die Kolben, wodurch der Verschleiss der Kolben auf ein Minimum reduziert wird und flachere und somit leichtere Kolben eingesetzt werden können. Die gehäusefesten Kurvenbahnen können so ausgeführt werden, damit im Falle einer Brennkraftmaschine der Kolben pro Umdrehung des Motors ein oder mehrere , vorzugsweise zwei Arbeitsspiele durchläuft, was gegenüber dem herkömmlichen Viertaktmotor eine Verdoppelung (bei einem Arbeitsspiel) oder Vervierfachung (bei zwei Arbeitsspielen) darstellt. Somit kann der Motor langsamer laufen und auch die Lebensdauer der einzelnen Bauteile erhöht sich. Bei der Ausführung als Pumpe oder Verdichter können die Kurvenbahnen ausgelegt werde, um ein, zwei, drei, vier oder mehr Arbeitsspiele pro Umdrehung vorzusehen .

Mehrere Kolben können in gleichem Abstand um die Rotationsachse der Kolbenmaschine angeordnet sein und sodurch verringern sich die Vibrationen des Motors. Dank der einfachen Kreisform des Rotors sind Dichtungsprobleme, wie sie etwa bei Wankelmotoren bekannt sind, weitgehend auszuschliessen. Der höhere Wirkungsgrad führt zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch und zu einem verminderten Ausstoss. Mit wenigen baulichen Veränderungen können alle auf dem Markt befindlichen Kraftstoffe eingesetzt werden. Durch die Verlängerung des Verbrennungsweges ergibt sich eine Verminderung des NOX-Ausstosses . Der Motor kann eventuell ohne Katalysator betrieben werden und eignet sich insbesondere für Kraftwärmekopplung (Generatorenbetrieb) .

Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Rotor einen zylindrischen Rotorkörper, der mit mehreren radialen Bohrungen versehen ist, die sich in Umfangsrichtung in gleichem Winkelabstand voneinander befinden und deren

Mittelachsen sich in einer gemeinsamen Ebene befinden, welche senkrecht zu der Rotationsachse des Rotors ausgerichtet xst. Die Bohrungen erstrecken sich von der kreisförmigen

Umfangsfläche des Rotors nach innen und in den Bohrungen sind

Zylinderbüchsen schwimmend eingesetzt, in welchen die Kolben in Radialrichtung nach innen und nach aussen beweglich sind.

Die schwimmend angeordneten Zylinderbüchsen werden durch Zentrifugalkraft und ggf. auch unterstützt durch Federmittel radial nach aussen gedrückt in Berührung mit einer kreisförmigen Gehäuseinnenwand, um die Zylinderkammern dicht gegenüber der Gehäuseinnenwand abzuschliessen.

Vorzugsweise bestehen die Führungsmittel der Gleitstücke, aus axialen Zapfen, die zur Reibungsverminderung mit einer Gleithülse aus Lagermetall oder mit Wälzlagern, vorzugsweise Nadellagern, versehen sind. Beidseitig des

Rotors sind Antriebs- oder Abtriebswellen angeflanscht, die in dem Gehäuse drehbar gelagert sind. Diese Wellen sind vorzugsweise hohl und kommunizieren mit einem mittleren

Hohlraum des Rotors, zur Zirkulation eines Kühl- und

Schmiermittels, vorzugsweise Öl, das nach dem Austritt aus der Hubkolbenmaschine einem Ölkühler zugeführt und nach der

Kühlung wieder in die Kolbenmaschine eingeleitet wird. Das Gehäuse der Hubkolbenmaschine kann luft- oder wassergekühlt sein. Die Gleitstücke können in radialen Führungen des Rotorkörpers und/oder in Radialschlitzen von Flanschen der An- oder Abtriesbswellen geführt sein, die an Stirnseiten des Rotorkörpers befestigt sind.

Gemäss einer zweiten Lösung der Aufgabe der Erfindung schafft die Erfindung eine Hubkolbenmaschine entsprechend dem unabhängigen Patentanspruch 11. Bei dieser Lösung der Aufgabe der Erfindung entfallen die Gleitstücke, da der Querschaft selbst durch die Kurvenbahnen geführt ist. Der konstruktive Aufbau ist somit noch einfacher und der Reibungsverlust der Gleitstücke in den Führungsnuten entfällt. Die Kolbenstange kann reibungsarm in einer Gleitlagerbüchse oder Kugelbüchse geführt werden.

Am Gehäuse sind Ansaug- und Ausstossöffnungen vorgesehen. Bei der Ausführung als Brennkraftmaschine können auch Kraftstoff- und Wasser- oder Dampfeinspritzvorrichtungen vorgesehen sein.

In den Unteransprüchen sind noch andere bevorzugte Merkmale der Rotationshubkolbenmaschine beansprucht .

Die Rotationshubkolbenmaschine wird nun ausführlicher mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht der Rotationshubkolbenmaschine gemäss der Erfindung;

Figur 2 eine Endansicht der Rotationshubkolbenmaschine nach Figur 1;

Figur 3 eine Querschnittansicht der Rotationshubkolbenmaschine längs der Linie A-A' der Figur 2;

Figur 4 eine Querschnittansicht der Rotations- kolbenmaschine längs der Linie C-C der Figur 1; und Figur 5 eine Querschnittansicht längs der Linie B-B' der Figur 1.

Figur 6 eine Endansicht, teilweise aufgeschnitten, des Rotorkörpers;

Figur 7 eine Endansicht einer An- oder Abtriebwelle mit Befestigungsflansch;

Figur 8 die Kolbenbaugruppe mit Kolben, Kolbenstange, Querschaft und Gleitstücken;

Figur 9 eine abgeänderte Führungsbahn für die Ausführung als Brennkraftmaschine.

Figuren 10 und 11 andere abgeänderte Kurvenbahnen für die Ausführung als Arbeitsmaschine.

Figur 12 ein anderes Ausführungsbeispiel der Rotationshubkolbenmaschine .

Im Folgenden wird die Ausführung der Rotationshubkolbenmaschine als Motor- oder Brennkraftmaschine beschrieben. Wie schon eingangs erwähnt kann die Rotationshubkolbenmaschine gemäss der Erfindung aber auch als Pumpe oder Verdichter bzw. Kompressor eingesetzt werden.

Im Folgenden wird die Rotationshubkolbenmaschine auch mit Bezug auf ein Ausführungsbeispiel mit drei Kolben beschrieben. Es wird aber darauf hingewiesen dass die Maschine auch als Ein- oder Zweikolbenmaschine oder als eine Maschine mit vier oder mehr als vier Kolben ausgeführt werden kann.

Ausserdem wird der Rotationshubkolbenmotor im Folgenden beschrieben mit sternförmigen Kurvenbahnen für zwei

Viertaktarbeitsspiele pro Kolben und pro Rotorumdrehung.

Andere Kurvenbahnen können auch vorgesehen sein, wie im Späteren erläutert wird. Der Rotationshubkolbenmotor wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Figuren 1 bis 8 beschrieben. Wie am besten aus Figur 4 zu erkennen ist, hat der Hubkolbenmotor ein Gehäuse bestehend aus einem äussern zylindrischen Mantelring 1, der an beiden Enden durch zwei Deckel 6a und 6b geschlossen ist. Die Deckel 6a und 6b sind an den Stellen Ia mit dem Mantelring 1 verschraubt. Mehrere Verschraubungsstellen Ia sind in Umfangsrichtung in Abstand voneinander angeordnet. Die zylindrische Innenfläche des Mantelringes 1 ist vorzugsweise gehöhnt und der Mantelring 1 und die Deckel 6a und 6b kann aus gasnitriertem ST52-3 hergestellt sein. Das Gehäuse ist an einem Tragständer (nicht dargestellt) befestigt .

_\ In dem Hohlraum, der von dem Mantelring 1 umgeben ist und an beiden Enden des Mantelringes 1 durch die Deckel 6a und 6b geschlossen ist befindet sich ein Rotorkörper 2 eines Rotors. Der Rotorkörper 2 hat eine zylindrische Umfangsflache und je eine radiale Stirnfläche an seinen zwei Seiten. Der Rotor hat desweiteren auf jeder Seite des Rotorkörpers 2 je eine Hohlwelle oder hohle Stummelwellen 7. Die Wellen 7 haben Tragflansche 7a, die sich von den Wellen 7 radial nach aussen bis zum äusseren Umfang des Rotorkörpers 2 erstrecken und durch Schraubenbolzen (nicht dargestellt) im Gewinde am Rotorkörper 2 befestigt sind. Die Wellen 7 sind über Lagereinrichtungen vom Gehäuse getragen. Diese Lagereinrichtungen haben je ein an der Aussenseite jedes Deckels 6, 6a befestigtes Lagergehäuse 9 in dem ein Wälzlager 8 angeordnet ist, das die zugeordnete Welle 7 trägt. Der Rotor umfasst demnach den Rotorkörper 2, und die Tragflansche 7a mit den Wellen oder Wellenstummel 7, die auch als Lagerzapfen des Rotors dienen.

Der Rotorkörper 2 hat drei radiale Zylinderbohrungen 2a, welche sich in einem Winkelabstand von 120° Grad befinden.

Die Bohrungen 2a erstrecken sich von der ümfangsfläche des Rotorkörpers 2 radial nach innen bis zu einer Bodenfläche

2a' . Die Bohrungen 2a haben radiale Mittellinien L, die in einer gemeinsamen radialen Ebene liegen, welche senkrecht zu einer Rotationsachse A des Rotor steht und sämtliche Mittellinien L schneiden sich in einem gemeinsamen Schnittpunkt S in der Radialebene auf der Rotationsachse A.

Der Rotorkörper 2 hat ferner eine mittlere, axiale Durchgangsbohrung 2b, die mit den hohlen Wellen 7 in Verbindung steht.

In jede radiale Stirnfläche des Rotorkörpers 2 sind jeweils drei radiale Nuten 2c eingefräst, die sich in Radialrichtung parallel zu den Bohrungsmittellinien L erstrecken. Diese Nuten 2c erstrecken sich von der mittleren Bohrung 2b des Rotorkörpers 2 bis zu seiner Umfangsfläche . Jede Zylinderbohrung 2a liegt dementsprechend zwischen jeweils zwei Radialnuten 2c und die Nuten 2c sind parallel zu den Bohrungsmittellinien L. Die Nuten 2d sind zu einem Zweck vorgesehen, der noch später ausführlicher beschrieben wird.

Desweiteren führt von der Grundfläche 2a' jeder Bohrung

2a des Rotorkörpers 2 ein radialer Durchbruch 2d zu der mittleren Bohrung 2b. Der Durchbruch 2d hat einen kleineren Durchmesser als die Zylinderbohrung 2a und dient zu einem

Zweck, der noch später ausführlicher beschrieben wird.

Es bleibt noch zu erwähnen, dass die in den Figuren 3 und 6 dargestellten Gewindelöcher 2e vorgesehen sind für die Schrauben (nicht dargestellt) zum Befestigen der Wellenflansche 7a an dem Rotorkörper 2. Diese Schrauben ragen durch Öffnungen 7b in den Wellenflanschen 7a (siehe Figur 7) . Der Rotor besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung AL-CU-Nl 7-13 und ist im Durchmesser vorzugsweise etwa 1 mm kleiner als der Innendurchmesser des zylindrischen Mantels 1.

In jeder Zylinderbohrung 2a ist eine Zylinderbüchse 3 in Radialrichtung schwimmend gelagert. Das radial innere Ende der Zylinderbüchse 3 ist flach und befindet sich in einer Ebene, die senkrecht steht zu der Mittellinie L der zugehörigen Rotorbohrung 2a. An ihrem radial äusseren Ende ist die Zylinderbüchse 3 kreisbogenförmig, wobei der Radius des Kreisbogens dem Radius der Innenfläche des Aussenmantels 1 des Gehäuses entspricht. Die Zylinderbüchsen 3 bestehen aus Grauguss und sind an ihrem radial äusseren Ende mit Rotguss beschichtet. Die schwimmend gelagerten Zylinderbüchsen 3 werden während der Rotation des Rotors 2 durch Fliehkraft nach aussen dicht an die Innenfläche des Aussenmantels 1 angedrückt. Es können auch Tellerfedern 3a zwischen den Zylinderbüchsen 3 und der Grundfläche 2a' der Zylinderbohrung 2a angeordnet werden, um die Zylinderbüchsen 3 nach aussen zu drücken zur dichten Anlage an der inneren zylindrischen Fläche des Aussenmantels 1.

In jeder Zylinderbüchse 3 ist ein Kolben 4 gleitend aufgenommen, der an seinem Umfang mit den üblichen Kolbenringen 4a zur Abdichtung gegenüber der Zylinderbüchse 3 versehen ist. Die Kolben 4 sind in den Zylinderbüchsen 3 in Radialrichtung nach aussen und nach innen beweglich und zwischen den Aussenseiten der Kolben 4 und der Innenfläche des zylindrischen Aussenmantels 1 sind Zylinderkammern ZK eingeschlossen. Die Kolben 4 können z.B. aus handelsüblichem Stahl ST 52-3 oder Dural gefertigt sein. An jedem Kolben 4 ist an der von der Zylinderkammer ZK abgewandten Seite eine Kolbenstange 5a befestigt. Die Kolbenstange 5a ist an dem Kolben 4 festgeschraubt, das Gewinde erlaubt eine Feineinstellung des Kolbens 4 in Bezug auf die Kolbenstange 5a. Eine Sicherungsmutter 5b hält den Kolben 4 in der eingestellten Lage in Bezug auf die Kolbenstange 5a zurück. Steht die Verwendung dieses Motors von vornherein fest, kann auf diese Art der Sicherung verzichtet werden, wodurch die Einstellung des Kolbens 4 in Bezug auf die Kolbenstange 5a konstruktiv festgelegt wird. Die Kolbenstange 5a erstreckt sich konzentrisch zur Mittellinie L der zugeordneten Rotorbohrung 2a von dem Kolben 4 nach innen durch den radialen Durchbruch 2c in die mittlere Bohrung 2b des Rotorkörpers 2 und ist an ihrem inneren Ende mit einem Lagerauge 5a' versehen, in dem ein Axial- oder Querschaft 5c aufgenommen ist, der sich parallel über die axiale Abmessung oder Breite des Rotorkόrpers 2 von einer Stirnfläche desselben zur anderen Stirnfläche des Rotorkörpers 2 erstreckt. Der Querschaft 5c trägt an jedem Ende ein sich von dem Querschaft 5c radial nach aussen erstreckendes Gleitstück 5d. Die Gleitstücke 5d sitzen in den Radialnuten 2c des Rotors 2 und sind in diesen Nuten 2c radial verschiebbar. Jedes Gleitstück 5d hat an seiner Aussenseite, die vom Kolben 4 wegweist etwa an ihrem radial äusseren Ende einen axialen Zapfen 5e, der parallel zu der Rotordrehachse A ausgerichtet ist. Die Zapfen 5e ragen durch Radialschlitze 7c in den Flanschen 7a und sind in diesen Schlitzen in Radialrichtung beweglich. Auf jedem Zapfen 5e befindet sich eine Lagerbüchse 5f aus Lagermetall, oder vorzugsweise ein Wälzlager, wie z.B. ein Nadellager.

An der radialen Innenfläche jedes Gehäusedeckels 6a, 6b ist eine Kurvenscheibe 6 befestigt, welche zwischen dem zugehörigen Deckel 6a oder 6b und dem Flansch 7a des zugehörigen Welle 7 aufgenommen ist. Die Kurvenscheiben 6 sind an den Deckeln 6a, 6b befestigt, mittels Schraubbolzen 10, die durch Durchgangslδcher in den Kurvenscheiben 6 und damit ausgerichtete Durchgangslöcher in den Deckeln 6a und 6b ragen und in Gewindebohrungen der Lageraufnahmen 9 eingeschraubt sind.

Jede Kurvenscheibe 6 ist auf ihrer dem Rotorkörper 2 zugewandten Innenseite mit einer sternförmigen Kurvenbahn oder Führungsnut 6' versehen, siehe inbesondere Figur 5, in welchen die Zapfen 5e der Gleitstücke 5d aufgenommen sind und bei Rotation des Rotors 2 umlaufen. Die auf den Zapfen 5e angeordneten Gleit- oder Wälzlager setzen die Reibung der Zapfen 5e in den Führungsnuten 6' herab.

Die Kurvenbahnen oder Führungsnuten 6' können auch unmittelbar in die Deckel 6a, 6b eingefräst sein. Die

Kurvenscheiben können dann entfallen. Die Kurvenbahnen sind in Bezug auf das Gehäuse stationnär oder unbeweglich, d.h. gehäusefest, da die Deckel 6a, 6b Gehäuseteile sind. Ebenso können die Lageraufnahmen 9 der Hohlwellen 7 konstruktiv miteingezogen werden, so dass numehr Positionen 6, 6a und 9 bzw. Positionen 6, 6b und 9 jeweils nur aus einem Bauteil bestehen.

Wie insbesondere aus Figur 5 ersichtlich ist, hat jede sternförmige Führungsnut 6' vier um 90° Grad voneinander beabstandete Kurvenscheitelpunkte, welche obere Totpunkte der Kolben 4 bestimmen sowie in Umfangsrichtung mittig zwischen den Scheitelpunkten angeordnete Kurventalpunkte, die untere Totpunkte der Kolben 4 bestimmen. In der Figur 5 sind die oberen Totpunkte mit OTl, 0T2, OT3 und OT4 bezeichnet und die unteren Totpunkte sind mit UTl, UT2, UT3 und UT4 bezeichnet. Während der Rotation des Rotors im Uhrzeigersinn werden dementsprechend die Kolben 4 über die Zapfen 5e, die Gleitstücke 5d, den Querschaft 5c und die Kolbenstange 5a abwechselnd nach innen und nach aussen gesteuert zur Durchführung der Hubbewegungen. Bei Rotation im Uhrzeigersinn, und ausgehend von dem oberen Totpunkt OTl wird ein zugehöriger Kolben 4 zuerst radial einwärts bewegt bis zum unteren Totpunkt UTl, dann wieder radial nach aussen bis zum oberen Totpunkt 0T2, anschliessend wieder radial nach innen bis zum unteren Totpunkt UT2 usw.

Der Aussenmantel 1 des Maschinengehäuses besitzt radiale Einlassöffnungen Id, siehe Figur 3, für Verbrennungsluft oder für ein Kraftstoffluftgemisch sowie radiale Auslassöffnungen Ib für die Verbrennungsgase sowie auch Gewindebohrungen Ic für Zündkerzen (nicht dargestellt) und Anschlüsse 12, falls erwünscht, zum Einspritzen von Wasser in die Zylinderkainmern ZK nach erfolgter Zündung und dem Durchlauf durch den zugeordneten oberen Totpunkt.

Falls z.B. das verdichtete Kraftstoff-Luft-Gemisch am oberen Totpunkt OTl durch eine in die Gewindebohrung Ic eingeschraubte Zündkerze gezündet wurde, erfolgt beim

Durchlaufen eines Zapfens 5e in der Führungsnut 6' vom oberen Totpunkt OTl bis zum unteren Totpunkt UT2 der Krafthub, anschliessend der Ausstosshub von UTl bis OT2, dabei werden die Verbrennungsgase durch die Auslassöffnung Id ausgestossen. Wenn OT2 erreicht ist wird ein zugeordneter Kolben 4 über die Kurvenführung 6' wieder radial einwärts gesteuert und die zugehörige Zylinderkammer ZK kommt in Verbindung der Einlassöffnung Ib. Somit wird Frischluft oder eine neue Ladung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches angesaugt. Beim Erreichen von UT2 ist der Ansaugvorgang beendet und der Kompressionshub beginnt und dauert bis OT3, der diametral gegenüberliegend zu OTl liegt. Bei OT3 erfolgt eine erneute Zündung durch die in die Gewindebohrung Ic eingeschraubte Zündkerze und ein neues Arbeitsspiel beginnt von OT3 über UT3 bis OT4 und über UT4 zurück zu OTl. Es ist dementsprechend ersichtlich, dass pro Rotorumlauf zwei Arbeitsspiele erfolgen. Anstelle des Ansaugens eines Kraftstoffluftgemisches kann auch Kraftstoff unmittelbar in die Zylinderkammern ZK oder Brennräume eingespritzt werden, durch Einspritzeinrichtungen, die in den Figuren nicht dargestellt sind.

Die Kraftübertragung von den Kolben 4 auf die Ausgangswellen 7 und in umgekehrter Richtung erfolgt durch die Zusammenwirkung der Zapfen 5e mit den sternförmigen Führungsnuten 6' sowie durch die Zusammenwirkung der Gleitstücke 5d mit den radialen Führungsnuten 2c des Rotors 2. Durch den Druck der Verbrennungsgase nach erfolgter Zündung an den oberen Totpunkten OTl und 0T3 werden die Zapfen 5e in den stationären, sternförmigen Führungsnuten 6' nach innen bewegt und treiben dementsprechend über die Gleitstücke 5d den Rotor 2 in Umfangsrichtung an. Die in Umfangsrichtung 120° Grad voneinander beabstandeten Kolben 4 üben somit nacheinander einen Antriebsimpuls auf die Ausgangswellen 7 aus. Durch den rotierenden Rotor werden die Kolben 4 nach erfolgtem Arbeitshub wieder durch Zusammenwirkung der Zapfen 5e mit den Führungsnuten 6' nach aussen gesteuert zum Ausstossen der Verbrennungsgase, anschliessend nach innen bewegt zum Ansaugen einer neuen Ladung und schliesslich wieder nach aussen bewegt zur Kompression der angesaugten neuen Ladung bis eine neue Zündung erfolgen kann. Die Brennkraftmaschine mit Rotationshubkolben 4 arbeitet somit gemäss dem üblichen Viertakt-Prinzip.

Bei eirxer Ausführung als Arbeitsmaschine, d.h. als Pumpe oder Verdichter, entfallen die Einschrauböffnungen Ic für die Zündkerzen. Dagegen muss aber die Anzahl der Ansaugδffnungen und Auslassöffnungen verdoppelt werden da in diesem Falle vier Arbeitsspiele, d.h. Ansaugen und Verdichten, während jedem Rotorumlauf erfolgen.

Die Erfindung ist nicht auf das hierin beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern dem Fachmann bieten sich viele Abänderungen an ohne dazu den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche zu verlassen.

Anstelle der vierarmigen, sternförmigen Führungsbahn 6' könnte z.B. auch eine Kurvenbahn 6 ' ' in Form einer langgestreckten, z.B. etwa nierenförmigen oder 8-fδrmigen Schleife vorgesehen sein, wie in Figur 9 dagestellt ist. In diesem Falle würde aber nur ein Arbeitsspiel pro Umdrehung des Rotors erfolgen. Bei grosseren Motoren sind auch mehr als zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung möglich.

Bei der Ausführung als Arbeitsmaschine wie z.B. als Pumpe für flüssige Medien oder Verdichter für gasförmige Medien können auch noch andere Kurvenbahnen vorgesehen sein, wie in den Figuren 10 und 11 dargestellt ist. Die Kurvenbahn 6'' gemäss Figur 10 ist etwa kreisförmig und exzentrisch in Bezug auf die Rotationsachse A des Rotors. Bei der Kurvenbahn 6"' gemäss Figur 10 führt der Kolben pro Umdrehung ein Arbeitsspiel durch, d.h. ein Ansaughub und ein Kompressions- oder Pumphub. Anstelle der Kreisform könnte die Kurvenbahn 6"' der Figur 10 auch oval, elliptisch oder eiförmig sein.

Die Figur 11 zeigt eine sternförmige Kurvenbahn 6' ' ' ' mit drei Armen für drei Arbeitsspiele pro Rotorumdrehung um die Achse A des Pumpen- oder Verdichterrotors. Die Kurvenbahn 6'' gemäss Figur 9 ist auch bei der Ausführung als Pumpe oder Verdichter anzuwenden für zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung.

Wie vorstehend beschrieben kann der An- oder Abtrieb über beide oder nur eine der Wellen 7 erfolgen. Die Gleitstücke 5d können ausser der Führung in den Schlitzen 2c des Rotorkörpers 2 auch in den Radialschlitzen 7c der Flansche 7a geführt sein. Bei entsprechend dick ausgeführten Flanschen 7a könnten die Gleitstücke 5d auch nur in den Schlitzen 7c der Flansche 7a geführt sein und auf die Führungen 2c in dem Rotorkörper 2 könnte verzichtet werden.

Die Durchgangsbohrung 2b des Rotorkörpers 2 auch einen kleineren Durchmesser aufweisen und könnte für jede Zylinderbohrung 2a einen axialen Durchgangsschlitz (nicht dargestellt) aufweisen, der die Rotorbohrung 2b radial nach aussen erweitert und in die Zylinderbohrung 2a mündet. In diesem Falle würde sich die Kolbenstange 5a in den axialen Durchgangsschlitz hineinerstrecken und der Querschaft 5c wäre in dem Durchgangsschlitz aufgenommen und darin radial nach innen und nach aussen beweglich.

Die Flansche 7a können die Stirnseiten des Rotorkörpers 2 entweder teilweise oder vollständig abdecken. Bei einer Ausführungsform mit teilweiser Abdeckung erstrecken sich die radialen Schlitze in dem Flansch bis zum Aussenumfang desselben. Bei der Ausführungsform vollständiger Abdeckung sind diese radialen Schlitze 7c als Langlöcher ausgebildet, welche sich nicht bis zum Aussenumfang des Flansches erstrecken, siehe Figur 7.

Es ist auch möglich, die Führungsmittel auf den Innenseiten der Gleitstücke 5d vorzusehen, dann müssen die Gleitstücke 5d sich radial bis über den Rotor hinaus erstrecken und die Kurvenbahnen wären in radialen Flächen des äusseren Gehäusemantels vorgesehen. Ein vereinfachtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 12 gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ragt der axiale Querschaft 5c durch radiale Schlitze 7c' in den Tragflanschen 7a' und ist an seinen Enden in den Kurvenbahnen 6' aufgenommen. Die Gleitstücke 5d fallen somit weg. Auf den Enden des Querschaftes 5c' sitzen Gleithülsen 5f aus Lagermetall oder Wälzlager, wie z.B. Nadellager, zur reibungsarmen Führung des Querschaftes 5c' in den Kurvennuten 6' . Anstelle der Führung durch die Gleitstücke 5d ist die Kolbenstange 5a in dem Rotorkörper 2' in Radialrichtung geführt . In den Rotorkδrper 2 ' kann auch eine Lagerbüchse oder Kugelbüchse (nicht dargestellt) eingesetzt sein zur reibungsarmen Führung der Kolbenstange 5a. Der Zylinderraum unter dem Kolben 4 steht über eine oder mehrere Bohrungert 13 (eine schematisch dargestellt) mit einem im Wesentlichen drucklosen Innenraum des Rotors oder des Gehäuses in Verbindung, damit kein Gegendruck sich unterhalb des Kolbens 4 aufbauen kann. Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss den Figuren 1 bis 11 ist der Querschaft 5c' in einer mittleren Axialbohrung oder in Axialschlitzen des Rotorkδrpers 2' aufgenommen. Die Zylinderbüchse 3 ist in Figur 12 nicht dargestellt, kann aber auch vorgesehen sein. Die Kurvenbahnen 6' sind wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.

Durch den Wegfall der radialen Gleitstücke 5d befindet sich der Kolben 4 jetzt weiter radial nach aussen in Bezug auf die Kurvenbahnen, welche im Wesentlichen die gleichen radialen Abmessungen aufweisen wie bei dem ersten

Ausführungsbeispiel) und somit vergrössert sich der

Aussendurchmesser des Rotors. Um dies aber mindestens zum Teil auszugleichen könnte der Querschaft 5c' auf beiden

Seiten des Rotors und radial nach aussen abgekrδpft sein, d.h. die Enden des Querschaftes 5c' , die mit den Lagern versehen und durch die Kurvenbahnen geführt sind, könnten radial nach aussen in Bezug auf die Lagerstelle des Querschaftes 5c' in dem Lagerauge 5a' der Kolbenstange 5a versetzt sein. Diese Versetzung oder Abkröpfungen würden demnach wenigstens zum Teil die Gleitstücke ersetzen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE ;

1. Hubkolbenmaschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper, der mindestens einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben in Radialrichtung in Bezug auf eine Rotordrehachse beweglich ist und eine Zylinderkammer in dem Zylinder zwischen dem Gehäuse und dem Kolben eingeschlossen ist, und wobei der Kolben an einer radialen Kolbenstange befestigt ist, die auf einem axialen Querschaft sitzt, welcher beidseitig der Kolbenstange bzw. des Kolbens je ein Gleitstück trägt, wobei die Gleitstücke in am Rotor vorgesehenen Führungen gleitend aufgenommen sind, die parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens in Bezug auf den Rotorkörper ausgerichtet sind, und die Gleitstücke Führungsmittel aufweisen, die durch gehäusefeste, die Rotordrehachse umgebende, Endloskurvenbahnen geführt sind, welche in Umfangsrichtung einen variablen Abstand von der Rotordrehachse aufweisen, und wobei die Kurvenbahnen, bei Rotation des Rotors mit dem Kolben, über die Führungsmittel, die Gleitstücke, den Querschaft und die Kolbenstange, eine radiale Hubbewegung des Kolbens zwischen inneren und äusseren Totpunktlagen steuern, sowie mit Einlass- und Auslassöffnungen in dem Gehäuse, die während der Rotation des Rotors abwechselnd mit der Zylinderkammer in Verbindung kommen.

2. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1, wobei die Führungsmittel an den von dem Kolben wegweisenden Seiten der Gleitstücke vorgesehen sind.

3. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , wobei die Führungsmittel axiale Zapfen sind, auf welchen Lagermittel, z.B. Gleitlagerhülsen oder Wälzlager, vorzugsweise Nadellager, sitzen zur reibungsarmen Führung durch die Kurvenbahnen.

4. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotorkörper eine mittlere axiale Durchgangsbohrung aufweist, die über einen radialen Durchbruch mit dem Inneren einer radialen Zylinderbohrung des Rotorkörpers verbunden ist und wobei die Kolbenstange, die den Kolben mit dem Querschaft verbindet, sich durch den radialen Durchbruch erstreckt und der Querschaft in der Durchgangsbohrung in Radialrichtung nach innen und nach aussen beweglich ist.

5. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Rotorkörper eine mittlere axiale Durchgangsbohrung aufweist, die durch mindestens einen axialen Durchgangsschlitz radial nach aussen erweitert ist, wobei der Schlitz sich bis in eine radiale Zylinderbohrung des Rotorkörpers erstreckt, und die Kolbenstange, die den Kolben mit dem Querschaft verbindet in den Schlitz hinein ragt und der Querschaft in den Schlitz in Radialrichtung in Bezug auf den Rotorkδrper beweglich ist .

6. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an jeder Stirnfläche des Rotorkörpers ein Tragflansch befestigt ist, und die Flansche axiale Wellenstummel aufweisen zur Abstützung und Lagerung des Rotors in dem Gehäuse, und die Flansche ferner radiale Schlitze aufweisen, die in Radialrichtung mit den Gleitstücken ausgerichtet sind, und wobei die Gleitstücke in Führungsnuten des Rotors geführt sind, die in dem Rotorkörperstirnflächen geformt sind, und die Führungsmittel der Gleitstücke in den Flanschschlitzen in Radialrichtung beweglich sind.

7. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an jeder Stirnfläche des Rotorkδrpers ein Tragflansch befestigt ist, und die Flansche axiale Wellenstummel aufweisen zur Abstützung und Lagerung des Rotors in dem Gehäuse, und die Flansche ferner radiale Schlitze aufweisen, die in Radialrichtung mit den Gleitstücken ausgerichtet sind, und wobei die Gleitstücke in den Radialschlitzen der Flansche geführt sind.

8- Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei an jeder Stirnfläche des Rotorkörpers ein Tragflansch befestigt ist, und die Flansche axiale Wellenstummel aufweisen zur Abstützung und Lagerung des Rotors in dem Gehäuse, und die Flansche ferner radiale Schlitze aufweisen, die in Radialrichtung mit den Gleitstücken ausgerichtet sind, und wobei die Gleitstücke in in den Stirnflächen des Rotors geformten Führungsnuten und in den Radialschlitzen der Flansche geführt sind.

9. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in den Stirnflächen des Rotorkδrpers radiale Führungsnuten für die Gleitstücke geformt sind.

10. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 9, wobei an jeder Stirnfläche des Rotorkörpers ein Tragflansch befestigt ist, und die Flansche axiale Wellenstummel aufweisen zur Abstützung und Lagerung des Rotors in dem Gehäuse, und die Flansche ferner radiale Schlitze aufweisen, die in

Radialrichtung mit den Gleitstücken ausgerichtet sind, und wobei die Führungsmittel der Gleitstücke in den Flanschschlitzen in Radialrichtung beweglich sind.

11. Hubkolbenmaschine mit einem in einem Gehäuse drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper, der mindestens einen Zylinder aufweist, in dem ein Kolben in Radialrichtung in Bezug auf eine Rotordrehachse beweglich ist und eine Zylinderkammer in dem Zylinder zwischen dem Gehäuse und dem Kolben eingeschlossen ist, und wobei der Kolben an einem Ende einer radialen Kolbenstange befestigt ist, die zwischen ihren Enden in Radialrichtung im Rotorkörper geführt ist und an ihrem anderen Ende auf einem axialen Querschaft sitzt, der auf beiden Seiten der Kolbenstange durch gehäusefeste, die Rotordrehachse umgebende, Endloskurvenbahnen geführt ist, welche in Umfangsrichtung einen variablen Abstand von der Rotordrehachse aufweisen, und wobei die Kurvenbahnen, bei Rotation des Rotors mit dem Kolben, über den Querschaft und die Kolbenstange, eine radiale Hubbewegung des Kolbens zwischen inneren und äusseren Totpunktlagen steuern, sowie mit Einlass- und Auslassöffnungen in dem Gehäuse, die während der Rotation des Rotors abwechselnd mit der Zylinderkammer in Verbindung kommen .

12. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11, wobei an jeder Stirnfläche des Rotorkörpers ein Tragflansch eines axialen Wellenstummels befestigt ist, über die der Rotor in dem Gehäuse abgestützt und gelagert ist, und wobei der Querschaft sich durch radiale Schlitze der Tragflansche hindurch erstreckt und in diesen in Radialrichtung beweglich ist.

13. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Querschaft mit Lagermittel, z.B. einer Lagerbüchse aus

Lagermetall oder einem Wälzlager, wie z.B. ein Nadellager, versehen ist zur reibungsarmen Führung des Querschaftes in den Kurvenbahnen.

14. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Kolbenstange reibungsarm in einer am

Rotorkörper vorgesehenen Lagerbüchse, wie z.B. einer Kugelbüchse, geführt ist.

15. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis

14, wobei der Zylinderraum radial innerhalb des Kolbens über mindestens eine Rotorkörperbohrung mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung steht .

16. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis

15, wobei die Enden des Querschaftes, die durch die Kurvenbahnen geführt sind, radial nach aussen in Bezug auf die Lagerstelle der Kolbenstange auf dem Querschaft versetzt sind.

17. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

16, wobei der Rotorkδrper zylindrisch ist mit einer zylindrischen Umfangsfläche und mit zur Rotordrehachse senkrechten Stirnflächen auf beiden Seiten des zylindrischen Rotorkörpers .

18. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

17, wobei der Rotor mehrere Zylinder aufweist in welchen je ein Kolben angeordnet ist, und die Kolben längs Radialachsen beweglich sind, die alle in einer gemeinsamen Radialebene liegen, welche senkrecht zur Rotorachse ist.

19. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 18, wobei die Kolben in Umfangsrichtung des Rotors in einem gleichen Winkelabstand voneinander angeordnet sind.

20. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei der Zylinder eine Zylinderbüchse aufweist, die in den Rotorkδrper eingesetzt ist.

21. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 20, wobei die Zylinderbüchse in Radialrichtung schwimmend in dem

Rotorkörper aufgenommen ist und an ihrem radial äusseren Ende eine Kreisbogenfläche aufweist mit einem Radius, der dem Radius einer zylindrischen Gehäuseinnenfläche entspricht, welche den Rotor umgibt, und wobei während dem Betrieb die Zylinderbüchse durch Fliehkraft in Anlage mit der Gehäuseinnenfläche gehalten wird.

22. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 21, wobei die Zylinderbüchse an ihrem gehäuseseitigen Ende mit Rotguss beschichtet ist .

23. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 21 oder 22, wobei unterhalb der Zylinderbüchse eine Tellerfeder eingebaut ist, die die Zylinderbüchse radial nach aussen gegen die Gehäuseinnenfläche drückt .

24. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Kolben einstellbar an der Kolbenstange befestigt ist, z.B. durch eine Schraubverbindung mit Sicherungsmutter .

25. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei das Gehäuse auf beiden Seiten des Rotorkörpers je einen Deckel aufweist, zwischen welchen der Rotorkörper in dem Gehäuse eingeschlossen ist.

26. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 25, wobei die Deckel mit den Kurvenbahnen in Form von Kurvennuten versehen sind.

27. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

26, wobei die Kurvenbahnen in Kurvenscheiben geformte Nuten sind, welche Kurvenscheiben fest mit dem Gehäuse verbunden sind.

28. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis

27, wobei auf beiden Seiten des Rotorkörpers je ein Wellenstummel angeflanscht ist zur Abstützung und Lagerung des Rotors in dem Gehäuse und wobei mindestens einer der Wellenstummel als An- oder Antriebswellenteil ausgeführt ist.

29. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 28, wobei beide Wellenstummel hohl sind und mit einem hohlen Innenraum des Rotorkörpers in Verbindung stehen zur Zu- und Abführung eines Schmier- und/oder Kühlmittels. _v

30. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 29, wobei das Gehäuse luft- oder wassergekühlt ist.

31. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 27, wobei die Maschine eine Pumpe oder einen Verdichter für flüssige bzw. gasförmige Medien ist.

32. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 31, wobei die Kurvenbahnen so geformt sind damit der Kolben bei jeder

Umdrehung des Rotors mindestens ein Arbeitsspiel mit einem Ansaughub und einem Kompressionshub ausführt.

33. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 32, wobei die Kurvenbahnen ausgewählt sind zwischen folgenden drei Alternativen:

a. eine in Bezug auf die Rotordrehachse exzentrische, im Wesentlichen kreisförmige, ovale, elliptische oder eiförmige Kurvenbahn mit einem Kurvenscheitelpunkt und einem Kurventalpunkt für ein Arbeitsspiel pro Umdrehung;

b. einer Kurvenbahn in Form einer länglichen, etwa nierenförmigen oder 8-förmigen Schleife mit zwei

Kurvenscheitelpunkten und zwei Kurventalpunkten für zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung; und c. einer sternförmigen Kurvenbahn mit mindestens drei Armen und mindestens drei Kurvenscheitelpunkten und drei Kurventalpunkten für mindestens drei Arbeitsspiele pro Umdrehung .

34. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 32 oder 33, wobei das Gehäuse für jedes Arbeitsspiel je eine Ansaug- und Ausstossöffnung aufweist .

35. Hubkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 30, wobei die Maschine eine Viertaktbrennkraftmaschine ist.

36. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 35, wobei die Kurvenbahnen so geformt sind, damit der Kolben bei jeder Umdrehung des Rotors mindestens ein Arbeitsspiel mit einem Ansaughub, einem Kompressionshub, einem Arbeitshub und einem Ausstosshub ausführt.

37. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 36, wobei die Form der Kurvenbahnen ausgewählt ist zwischen folgenden zwei Alternativen:

a. einer Kurvenbahn in Form einer länglichen, etwa nierenförmigen oder 8-förmigen Schleife mit zwei Kurvenscheitelpunkten und zwei Kurventalpunkten für ein Arbeitsspiel pro Umdrehung; und

b. einer sternförmigen Kurvenbahn mit vier Armen und vier Kurvenscheitelpunkten sowie vier Kurventalpunkten für zwei Arbeitsspiele pro Umdrehung.

38. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 36 oder 37, wobei am Gehäuse für jedes Arbeitsspiel je eine Ansaug- und Ausstossöffnung sowie eine Zündkerze vorgesehen ist .

39. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 36 oder 37, wobei je eine Kraftstoffeinspritzvorrichtung für jedes Arbeitsspiel am Gehäuse vorgesehen ist.

40. Hubkolbenmaschine nach Anspruch 36 oder 37, wobei je eine Wassereinspritzvorrichtung für jedes Arbeitsspiel am Gehäuse vorgesehen ist.