DE102005024751A1

DE102005024751A1 - Schwenkkolbenmaschine

Info

Publication number: DE102005024751A1
Application number: DE102005024751A
Authority: DE
Inventors: Herbert Huettlin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2025-05-25
Also published as: DE102005024751B4

Abstract

Es wird eine Schwenkkolbenmaschine vorgeschlagen, mit einem Gehäuse, in dem ein erster und zumindest ein zweiter Kolben angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen können und die beim Umlaufen um die Drhachse um eine senkrecht zur Drehachse und durch die Gehäusemitte verlaufende Schwenkachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführen, wobei der erste Kolben eine erste Endfläche und der zumindest zweite Kolben eine der ersten Endfläche zugewandte zweite Endfläche aufweist, wobei die Endflächen eine Arbeitskammer begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben so angeordnet sind, dass die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft (Fig. 3).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schwenkkolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem ein erster und zumindest ein zweiter Kolben angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen können, und die beim Umlaufen um die Drehachse um eine senkrecht zur Drehachse und durch die Gehäusemitte verlaufende Schwenkachse zueinander gegensinnige hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführen, wobei der erste Kolben eine erste Endfläche und der zumindest zweite Kolben eine der ersten Endflächen zugewandte zweite Endfläche aufweist, wobei die Endflächen eine Arbeitskammer begrenzen.

Eine derartige Schwenkkolbenmaschine ist aus dem Dokument WO 03/067033 A1 bekannt.

Schwenkkolbenmaschinen und insbesondere eine Schwenkkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung können als Brennkraftmaschinen (Verbrennungsmotoren), als Pumpen oder als Kompressoren verwendet werden. Eine Schwenkkolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise als Brennkraftmaschine verwendet und als solche in der vorliegenden Beschreibung beschrieben.

Im Falle der Verwendung einer Schwenkkolbenmaschine als Brennkraftmaschine werden die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Zündens des Verbrennungsgemisches und des Expandierens und Ausstoßens des verbrannten Verbrennungsgemisches durch hin- und hergehende Schwenkbewegungen der einzelnen Kolben zwischen zwei Endstellungen vermittelt.

Bei der aus dem Dokument WO 03/067033 A1 desselben Anmelders bekannten Schwenkkolbenmaschine sind in dem Gehäuse vier Kolben angeordnet, die um eine gehäusemittige gehäusefeste Drehachse gemeinsam umlaufen und beim Umlaufen in dem Gehäuse hin- und hergehende Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse ausführen, wobei jeweils zwei benachbarte Kolben gegensinnig verschwenken. Bei dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine sind jeweils zwei diametral bezüglich der Gehäusemitte gegenüberliegende Kolben zu einem Doppelkolben miteinander starr verbunden, und zwei derartige Kolbenpaare sind in der Gehäusemitte über Kreuz angeordnet. Zwischen jeweils zwei einander zugewandten Endflächen der Kolben der Kolbenpaare wird jeweils eine Arbeitskammer gebildet, so dass die bekannte Schwenkkolbenmaschine zwei Arbeitskammern aufweist. Beide Arbeitskammern, die bezüglich der Gehäusemitte diametral gegenüberliegend angeordnet sind, ver größern und verkleinern sich bei der hin- und hergehenden Schwenkbewegung der Kolben gleichsinnig.

Die Kolben dieser bekannten Schwenkkolbenmaschine sind in dem Gehäuse so angeordnet, dass sie in ihrer OT-Stellung, in der die Volumina der beiden Arbeitskammern minimal sind, senkrecht zur Drehachse stehen. In dieser Stellung sind beim Umlaufen der Kolben um die Drehachse die auf die Kolben wirkenden Zentrifugalkräfte maximal. Dies führt dazu, dass bei hohen Drehzahlen das Expandieren bzw. das Auseinanderschwenken der Kolben gegen die Fliehkräfte erfolgen muss, weil die Fliehkräfte der auseinanderschwenkenden Bewegung der Kolben entgegenwirken. Die Arbeitskammern liegen bei dieser Schwenkkolbenmaschine stets außerhalb und senkrecht zur Drehachse.

Die Kolben der bekannten Schwenkkolbenmaschine weisen im Wesentlichen die Form eines Kugelkeils auf, und entsprechend ist auch die Geometrie der Arbeitskammern.

Obwohl die bekannte Schwenkkolbenmaschine sehr gute Betriebseigenschaften aufweist, zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, ein von dem oben beschriebenen Konzept der bekannten Schwenkkolbenmaschine abweichendes neues Konzept einer Schwenkkolbenmaschine anzugeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für eine Schwenkkolbenmaschine der eingangs genannten Art ein derartiges neues Konzept anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Schwenkkolbenmaschine dadurch gelöst, dass die Kolben so angeordnet sind, dass die Drehachse durch die Arbeitskammer verläuft.

Das gegenüber der bekannten Schwenkkolbenmaschine neue Konzept der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine besteht demnach darin, die zumindest zwei Kolben so anzuordnen, dass die zumindest eine Arbeitskammer nicht senkrecht zur Drehachse, sondern auf der Drehachse bzw. um die Drehachse herum liegt. Die auf die die Arbeitskammer begrenzenden beiden Kolben beim Umlaufen um die Drehachse wirkenden Fliehkräfte sind wegen der geringeren Beabstandung der Kolben von der Drehachse geringer und wirken außerdem in Richtung des Auseinanderschwenkens der beiden Kolben, d.h. die Fliehkräfte unterstützen den Arbeitstakt des Expandierens. Die senkrecht zur Drehachse auftretenden Fliehkräfte beim Umlaufen der Kolben um die Drehachse unterstützen somit das Expandieren der zumindest einen Arbeitskammer.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die erste und zweite Endfläche des ersten und zumindest zweiten Kolbens kreisförmig ausgebildet sind.

Bei dieser Ausgestaltung sind der erste und zumindest zweite Kolben zumindest im Bereich, der sich an ihre Endflächen anschließt, zylindrisch und somit in diesem Bereich klassischen Kolben von Hubkolbenmotoren sehr ähnlich. Ein Vorteil, der sich hieraus ergibt, ist, dass als Dichtungen für die beiden Kolben Kolbenringe, ggfls mit entsprechender Krümmung, verwendet werden können, so dass hier auf seit langem bestehende Erfahrungen bei der Lösung von Dichtungsproblemen bei Hubkolbenmotoren zurückgegriffen werden kann. Die durch die beiden Endflächen des ersten und zumindest zweiten Kolbens begrenzte Arbeitskammer besitzt bei dieser Ausgestaltung die Geometrie eines um die Schwenkachse gebogenen Zylinders oder Toroidabschnitts.

Alternativ zu einer kreisförmigen Ausgestaltung der Endflächen des ersten und zumindest zweiten Kolbens kann jedoch auch eine davon abweichende Geometrie, beispielsweise eine ovale Form, gewählt werden, was insbesondere dann, wenn der Innenraum des Gehäuses Kugelsymmetrie aufweist, zu einer Vergrößerung der zumindest einen Arbeitskammer beiträgt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zumindest zweite Kolben im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet.

Es versteht sich, dass die bogenförmige Gestalt des ersten und zumindest zweiten Kolbens auf den an ihre Endflächen angrenzenden Bereich begrenzt sein kann, d.h. von den Endflächen abgewandte Außenseiten der Kolben können, wie hiernach noch beschrieben wird, als Funktionselemente für die Steuerung der Kolben zur Ableitung der Schwenkbewegung aus der Umlaufbewegung der Kolben genutzt werden und dazu andere Formgestaltungen aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der erste Kolben und/oder der zumindest zweite Kolben zumindest ein Lauforgan auf, das beim Umlaufen des ersten und/oder zumindest zweiten Kolbens entlang einer entsprechend ausgebildeten Steuerkurve geführt ist, um die Schwenkbewegungen des ersten und zumindest zweiten Kolbens zu erzeugen, wobei die Steuerkurve am Gehäuse mit bezüglich der Drehachse zumindest näherungsweise maximalem Abstand angeordnet ist.

Bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine ist ein vergleichbarer Steuermechanismus für die Schwenkbewegungen der Kolben vorgesehen, jedoch befindet sich dort die Steuerkurve mit geringerem Abstand zur Drehachse in der Nähe der Stirnseiten des Gehäuses. Der Vorteil der größeren Beabstandung der Steuerkurve von der Drehachse besteht in verbesserten Hebelverhältnissen, um die Schwenkbewegungen der zumindest zwei Kolben aus deren Umlaufbewegung um die Drehachse abzuleiten.

In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn das zumindest eine Lauforgan eine Kugel ist, die drehbar in einer Kugelpfanne an einer dem Gehäuse zugewandten Außenseite des ersten und/oder zumindest zweiten Kolbens gelagert ist, und wenn die Steuerkurve als Nut mit teilkreisförmigem Querschnitt im Gehäuse ausgebildet ist, in die die Kugel teilweise eingreift.

Ein solcher Steuermechanismus, der als das zumindest eine Lauforgan eine Kugel verwendet, hat den Vorteil einer optimierten Reibungsverminderung des Steuermechanismus, da die Kugel in der Kugelpfanne des zumindest einen Kolbens frei drehbar ist, und ebenso in der Nut im Gehäuse, so dass die Kugel der Steuerkurve auf Grund ihrer allgerichteten Drehbarkeit mit besonders geringer Reibung folgen kann.

Die Kugelpfanne kann so ausgebildet sein, dass sie die Kugel unverlierbar hält, oder die Kugel kann mittels eines Schmier films, der durch eine Ölschmierung bereitgestellt wird, durch Adhäsionskräfte in der Kugelpfanne gehalten werden.

Vorzugsweise weist sowohl der erste als auch der zumindest zweite Kolben ein Lauforgan in Form einer Kugel auf, die in derselben nutförmigen Steuerkurve im Gehäuse im Abstand voneinander laufen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und der zumindest zweite Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der im Gehäuse konzentrisch zur Drehachse um diese drehbar angeordnet ist, wobei der Kolbenkäfig mit dem ersten und zumindest zweiten Kolben bezüglich der Umlaufbewegung um die Drehachse drehfest verbunden ist.

Der Kolbenkäfig und der erste und zumindest zweite Kolben bilden somit die "Innenmaschine" oder den "Innenmotor" der Schwenk kolbenmaschine. Die gleitende Lagerung der beiden Kolben in dem Kolbenkäfig dient der Schwenkbeweglichkeit der beiden Kolben um die Schwenkachse, während die Kolben auf Grund ihrer bezüglich der Umlaufbewegung um die Drehachse drehfesten Verbindung mit dem Kolbenkäfig mit diesem gemeinsam um die Drehachse umlaufen. Der Kolbenkäfig kann nun vorteilhafterweise als Antriebs- oder Abtriebsorgan dienen und mit einem Wellenfortsatz entsprechend aus dem Gehäuse herausgeführt sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolbenkäfig etwa senkrecht zur Drehachse eine Bohrung auf, in der der erste und zumindest zweite Kolben teilweise und darin gleitend aufgenommen sind, und die die Arbeitskammer in Umfangsrichtung begrenzt.

Die Bohrung definiert somit zusammen mit den beiden einander zugewandten Endflächen des ersten und zumindest zweiten Kolbens die zumindest eine Arbeitskammer der Schwenkkolbenmaschine. Je nach Geometrie der Endflächen der beiden Kolben ist auch die Geometrie der Bohrung des Kolbenkäfigs gewählt, also beispielsweise kreisförmig oder wie ebenfalls oben erwähnt oval oder von anderer Form entsprechend der Form der Endflächen der Kolben. Bei einer kreisförmigen Ausgestaltung der Endflächen der beiden Kolben entsteht in Verbindung mit der kreisförmigen Bohrung im Kolbenkäfig eine Arbeitskammer, die einem gekrümmten Zylinder oder einem Toroidabschnitt entspricht. Die Kolben sind dann vorzugsweise gegen die Wand der Bohrung des Kolbenkäfigs mittels Dichtungen abgedichtet, wobei diese im Fall einer kreisförmigen Bohrung und kreisförmigen Endflächen vorteilhafterweise als an die Form der Arbeitskammer angepasste Kolbenringe ausgeführt sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung geht durch den Kolbenkäfig ein Kanal hindurch, der einerseits in der Bohrung mündet und andererseits zum Gehäuse hin mündet, um je nach Drehstellung mit einer Einlass- oder mit einer Auslassöffnung im Gehäuse zu kommunizieren.

Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass der Kolbenkäfig mittels des zuvor genannten Kanals oder Öffnung als eine Art Ventil für die Einlass- und Auslassöffnungen im Gehäuse wirkt. Es ist daher nicht erforderlich, die Einlass- und Auslassöffnungen im Gehäuse mit separaten Ventilen zu versehen, noch für den Zeitpunkt des Öffnens oder Schließens eine aufwendige Steuerung des Ventils vorzusehen, wie dies bei klassischen Hubkolbenmotoren der Fall ist. Das Freigeben bzw. Verschließen der Einlass- und Auslassöffnung zum Einlassen von Verbrennungsluft und/oder Brennstoff und zum Auslassen verbrannten Verbrennungsgemisches erfolgt im richtigen Takt automatisch durch die Umlaufbewegung des Kolbenkäfigs um die Drehachse.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Kolbenkäfig zumindest einen Kanal für ein Medium, insbesondere Kühl/Schmiermedium auf, der sich zumindest teilumfänglich und durch das Innere des Kolbenkäfigs erstreckt.

Hierbei ist von Vorteil, dass der Kolbenkäfig vorteilhafterweise eine weitere Funktion wahrnimmt, nämlich die Versorgung aller beweglichen Teile innerhalb des Gehäuses mit einem Kühl-/ und/oder Schmiermedium. Die Zufuhr eines Kühl-/Schmiermediums kann über am Gehäuse angeordnete Anschlüsse erfolgen, wobei in diesem Fall der zumindest eine Kanal sich vorzugsweise auf der Außenseite des Kolbenkäfigs als Ringkanal erstreckt, so dass der zumindest eine Kanal stets mit den Versorgungsanschlüssen kommuniziert.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung geht durch den Kolbenkäfig auf Höhe der Schwenkachse in deren Richtung eine Bohrung hindurch, die sich vorzugsweise zu ihren Enden hin erweitert.

Diese Bohrung dient vorteilhafterweise als weiterer Kühl/Schmiermittelkanal, was zu einer besonders intensiven Umwälzung eines solchen Kühl-/Schmiermediums beiträgt, da sich diese Bohrung senkrecht zur Drehachse erstreckt und somit das darin gerade befindliche Kühl-/Schmiermedium beim Umlaufen des Kolbenkäfigs um die Drehachse mit Zentrifugalkräften beaufschlagt wird, die das Kühl-/Schmiermedium zu den sich erweiternden Enden der Bohrung hin bewegen. Hierdurch tritt vorteilhafterweise ein Ventilationseffekt bei der Umwälzung des Kühl/Schmiermediums auf.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse ein dritter und vierter Kolben angeordnet, die um dieselbe Schwenkachse oder eine von dieser verschiedenen Schwenkachse verschwenkbar sind und mit dem ersten und zweiten Kolben um die Drehachse umlaufen können und eine zweite Arbeitskammer definieren.

In dieser Ausgestaltung wird auch bei der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenmaschine ein bezüglich der Drehachse vorteilhaft symmetrisches und somit massenausgeglichenes System geschaffen.

Dabei ist es bevorzugt, wenn die vier Kolben so angeordnet sind, dass sich die erste und zweite Arbeitskammer beim Umlaufen der Kolben um die Drehachse gleichsinnig vergrößern und verkleinern.

Diese Ausgestaltung trägt dazu bei, dass die vier Kolben in jeder Umlauf- und Schwenkstellung ein massenausgeglichenes System darstellen.

Bei einer Ausgestaltung der Schwenkkolbenmaschine mit insgesamt vier Kolben ist es in einer ersten Ausgestaltung vorzugsweise vorgesehen, dass der erste und zweite Kolben und der dritte und vierte Kolben bezüglich der Drehachse so angeordnet sind, dass die Schwenkbewegungen aller Kolben in derselben Ebene erfolgen.

Bei dieser Ausgestaltung liegen die beiden Arbeitskammern in einem Schnitt entlang der Drehachse und senkrecht zur Schwenkachse stets in ein und derselben Ebene.

Noch bevorzugter ist es, wenn der erste und zweite Kolben und der dritte und vierte Kolben bezüglich der Drehachse so angeordnet sind, dass die Schwenkbewegungen des ersten und zweiten Kolbens in einer ersten Ebene und die Schwenkbewegungen des dritten und vierten Kolbens in einer zweiten Ebene erfolgen, wobei die erste und die zweite Ebene bezüglich der Drehachse relativ zueinander um einen Winkel ungleich 0° verdreht sind.

Bei dieser Ausgestaltung liegen entsprechend die beiden durch die vier Kolben gebildeten Arbeitskammern nicht wie bei der zuvor genannten Ausgestaltung in einer gemeinsamen Ebene, sondern sind bezüglich der Drehachse zueinander um einen Winkel ungleich 0° versetzt. Dies hat nun den Vorteil gegenüber der zuvor genannten Ausgestaltung, dass die oben genannte Steuerkurve bzw. im Fall von vier Kolben zwei Steuerkurven und die darin geführten Lauforgane, die vorzugsweise als Kugeln ausgebildet sind, ihren Endpunkt nicht in oder vor der Orthogonalen zur Drehachse haben müssen, sondern über die Orthogonale hinausreichen können, da aufgrund des Versatzes der beiden Kolbenpaare zueinander die Lauforgane in der UT-Stellung, d.h. bei maximal geöffneten Arbeitskammern, nicht miteinander kollidieren können, da die Kolbenpaare zueinander um einen Winkel ungleich 0° verdreht angeordnet sind. Auf diese Weise kann gegenüber der zuvor genannten Ausgestaltung das maximale Volumen der beiden Arbeitskammern (UT-Stellung der Kolben) aufgrund eines größeren Öffnungswinkels der beiden Kolbenpaare vergrößert werden. Wie bei einer der oben genannten Ausgestaltungen ist es bevorzugt, wenn sich die beiden Arbeitskammern auch bei dieser Variante gleichsinnig vergrößern und verkleinern, was durch eine entsprechende Formgebung der Steuerkurven erzielt wird.

Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der zuvor genannten Ausgestaltung, wenn der Winkel zumindest annähernd 90° beträgt.

Bei dieser Ausgestaltung wird wieder eine möglichst hohe Symmetrie der Massenverteilung der Kolben in dem Gehäuse erreicht.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich der Kolbenkäfig beidseits der Schwenkachse oder Schwenkachsen und nimmt auch den dritten und vierten Kolben auf.

Insgesamt wird somit ein besonders einfacher und wenig Teile erfordernder Aufbau geschaffen, bei dem der Kolbenkäfig alle vier Kolben aufnimmt. Für den dritten und vierten Kolben weist der Kolbenkäfig, wenn dies für den ersten und zweiten Kolben wie oben beschrieben vorgesehen ist, für den dritten und vierten Kolben ebenfalls eine Bohrung auf, in der der dritte und vierte Kolben gleitend gelagert und bezüglich der Drehachse drehfest mit dem Kolbenkäfig verbunden sind, wobei diese Bohrung dann zusammen mit den Endflächen des dritten und vierten Kolbens die zweite Arbeitskammer begrenzt.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine Gehäuseinnenwand des Gehäuses im Wesentlichen kugelförmig.

Mit dieser Ausgestaltung wird vorteilhafterweise eine Schwenkkolbenmaschine mit Kugelsymmetrie geschaffen, die sich bereits bei der bekannten Schwenkkolbenmaschine bewährt hat.

Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine Gehäuseinnenwand des Gehäuses im Schnitt entlang einer Ebene, die die Drehachse beinhaltet, in Richtung der Drehachse oblong ist.

"Oblong" bedeutet hier, dass das Gehäuse der Schwenkkolbenmaschine aus zwei Kugelhälften besteht, zwischen die ein in Richtung der Drehachse länglicher Abschnitt zwischengefügt ist. Die Oblong-Form der Gehäuseinnenwand des Gehäuses eröffnet vorteilhafterweise die Möglichkeit, folgende bevorzugte Ausgestaltungen vorzusehen.

So ist es bevorzugt, wenn im Gehäuse ein um die Schwenkachse schwenkbarer Hohlzapfen angeordnet ist, der in seiner Wand eine Öffnung aufweist, die in Abhängigkeit der Drehstellung des Hohlzapfens mit der ersten Arbeitskammer oder ggf. mit der zweiten Arbeitskammer kommuniziert.

Dieser Hohlzapfen kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, Frischluft, insbesondere unter Druck stehende Frischluft, über die in dem Hohlzapfen vorgesehene umfänglich begrenzte Öffnung in die Arbeitskammer, oder falls zwei Arbeitskammern vorgesehen sind, wechselweise in die beiden Arbeitskammern, zuzuführen. Hierdurch kann Verbrennungsluft unter einem Vordruck in die Arbeitskammern geleitet werden, wodurch eine höhere Verdichtung des Brennstoff-Luftgemisches in den Arbeitskammern erzielbar ist. Auf diese Weise eignet sich die Schwenkkolbenmaschine insbesondere als Dieselmotor.

Dabei ist es bevorzugt, wenn der Hohlzapfen mit einem Getriebe verbunden ist, das beim Umlaufen der Kolben um die Drehachse den Hohlzapfen in Drehung um die Schwenkachse versetzt.

Auf diese Weise wird die Drehbewegung des Hohlzapfens, um dessen Öffnung mit der einen oder anderen Arbeitskammer kommunizieren zu lassen, auf vorteilhaft einfache Weise direkt aus der Umlaufbewegung der Kolben um die Drehachse abgeleitet, ohne dass ein externer Steuermechanismus erforderlich ist. Bei entsprechender Wahl des Übersetzungsverhältnisses des Getriebes wird auf einfache Weise eine Synchronisation der Drehgeschwindigkeit des Hohlzapfens mit der Drehzahl der Schwenkkolbenmaschine erreicht.

Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn das Getriebe eine mit dem Hohlzapfen verbundene Schneckenverzahnung aufweist, die mit zumindest einer am Gehäuse angeordneten Zahnung kämmt, die sich um die Drehachse herum erstreckt.

Ein solches Getriebe ist konstruktiv besonders einfach, lässt sich ohne erhöhten Platzbedarf im Gehäuse unterbringen und bei entsprechender Gestaltung der Schneckenverzahnung kann dann die Drehgeschwindigkeit des Hohlzapfens in Abhängigkeit von der Drehzahl der Umlaufbewegung der Kolben um die Drehachse abgestimmt werden.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angege benen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine perspektivische Gesamtansicht einer Schwenkkolbenmaschine, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Ansicht der Schwenkkolbenmaschine in 1 in Richtung der Pfeile II in 1;
3 einen Längsschnitt durch die Schwenkkolbenmaschine entlang einer Ebene parallel zur Drehachse und senkrecht zur Schwenkachse, wobei die Kolben der Schwenkkolbenmaschine in einer ersten Betriebsstellung dargestellt sind;
4 eine Darstellung der Schwenkkolbenmaschine in derselben Betriebsstellung der Kolben wie in 3, leicht perspektivisch und die Kolben nicht im Schnitt;
5 eine mit 4 vergleichbare Darstellung der Schwenkkolbenmaschine, wobei die Kolben in einer zweiten Betriebsstellung dargestellt sind;
6 einen Längsschnitt durch die Schwenkkolbenmaschine in 1 bis 5, wobei die Kolben in einer dritten Betriebsstellung dargestellt sind;
7 eine Darstellung der Schwenkkolbenmaschine in derselben Betriebsstellung der Kolben wie in 6, leicht perspektivisch und die Kolben nicht im Schnitt;
8 einen Schnitt durch die Schwenkkolbenmaschine entlang der Linie VIII-VIII in 3;
9 einen Schnitt durch die Schwenkkolbenmaschine entlang der Linie IX-IX in 3;
10 einen Längsschnitt entlang der Linie X-X in 3 durch die Schwenkkolbenmaschine gemäß den 1 bis 9;
10A eine mit 10 vergleichbare Darstellung eines abgewandelten Ausführungsbeispiels der Schwenkkolbenmaschine;
11 einen Längsschnitt durch die Schwenkkolbenmaschine vergleichbar mit 3 oder 4, wobei jedoch der Kolbenkäfig und die Kolben nicht im Schnitt dargestellt sind;
12 eine Ansicht der Schwenkkolbenmaschine, bei der eine Gehäusehälfte abgenommen ist;
13 eine perspektivische Darstellung der Anordnung aus Kolbenkäfig und Kolben in Alleinstellung und perspektivisch;
14 eine perspektivische Ansicht einer Innenseite einer Gehäusehälfte der Schwenkkolbenmaschine in Alleinstellung;
15a) bis d) verschiedene perspektivische Ansichten bzw. Schnitte eines Kolbens der Schwenkkolbenmaschine einschließlich Lauforgan in Alleinstellung;
16 einen Längsschnitt durch eine Schwenkkolbenmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
17 einen Längsschnitt durch die Schwenkkolbenmaschine in 17 in einem Schnitt entlang einer Ebene, die bezüglich der Schnittebene in 16 um 90° gedreht ist;
18 eine perspektivische Gesamtansicht einer Schwenkkolbenmaschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
19 einen Längsschnitt durch die Schwenkkolbenmaschine in 18 entlang einer Ebene parallel zur Drehachse und senkrecht zur Schwenkachse;
20 eine perspektivische Darstellung einer Hälfte der Schwenkkolbenmaschine in 18;
21 eine perspektivische Darstellung der Anordnung aus Kolbenkäfig und Kolben der Schwenkkolbenmaschine in 18 in Alleinstellung und perspektivisch; und
22 ein Diagramm, das die einzelnen Arbeitstakte der Schwenkkolbenmaschine in 18 veranschaulicht.
In 1 bis 10 sowie 11 und 12 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Schwenkkolbenmaschine in verschiedenen Darstellungen gezeigt. Weitere Einzelheiten der Schwenkkolbenmaschine 10 sind in 13 bis 15 dargestellt.
Die Schwenkkolbenmaschine 10 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Brennkraftmaschine ausgelegt.
Die Schwenkkolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus zwei Gehäusehälften 14 und 16 zusammengesetzt ist. Die Gehäusehälften 14 und 16 weisen jeweils einen Flansch 18a bzw. 18b auf, über den die Gehäusehälften 14 und 16 lösbar miteinander verbunden sind.
Am Gehäuse 12 sind bezüglich dem Gehäusemittelpunkt diametral gegenüberliegend Einlassstutzen 20 und 24 für Frischluft/Brennstoff angeordnet, deren Öffnungen durch das Gehäuse hindurchgehen (vgl. 9). Ebenso sind Auslassstutzen 22 und 26 vorgesehen. Die Einlassstutzen 20 und 24 dienen dazu, Frischluft bzw. Verbrennungsluft zuzuführen, während die Auslassstutzen 22 und 26 zum Ausstoßen von verbranntem Brennstoff-Luftgemisch dienen. Den Einlassstutzen 20 und 24 ist jeweils ein Anschluss für eine Brennstoff-Einspritzdüse zugeordnet, wie für den Einlassstutzen 24 mit einem Anschluss 25 dargestellt ist (vgl. auch 9). In 2 ist ein entsprechender Anschluss 21 für den Einlassstutzen 20 dargestellt.
Des Weiteren sind am Gehäuse eine Mehrzahl an Anschlüssen 28 bis 38 für die Zufuhr und Abfuhr bzw. Zirkulation eines Kühl/Schmiermediums durch das Innere der Schwenkkolbenmaschine 10 angeordnet.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Schwenkkolbenmaschine 10 ist eine Gehäuseinnenwand 39 im Wesentlichen kugelförmig ausgebildet bzw. besitzt Kugelsymmetrie, wie beispielsweise aus 3 hervorgeht.
Im Innern des Gehäuses 12 sind vier Kolben 40 bis 46 angeordnet, die in dem Gehäuse 12 gemeinsam um eine Drehachse 48 gemäß einem Pfeil 49 (3) umlaufen können. Bei dieser Umlaufbewegung führen die Kolben 40 bis 46 eine der Umlaufbewegung überlagerte Schwenkbewegung um eine allen vier Kolben 40 bis 46 gemeinsame Schwenkachse 50 zwischen zwei Endstellungen aus, wobei die eine Endstellung in 3 (sog. UT-Stellung), und die andere Endstellung in 6 (sog. OT-Stellung) dargestellt ist.
Sowohl die Drehachse 48 als auch die Schwenkachse 50, die als geometrische Achsen zu verstehen sind, gehen durch den Gehäusemittelpunkt des kugelförmigen Gehäuses 12 hindurch. Des Weiteren steht die Schwenkachse 50 stets senkrecht auf der Drehachse 48, läuft um Letztere jedoch entsprechend der Umlaufbewegung der Kolben 40 bis 46 ebenfalls um die Drehachse 48 um.
Von den Kolben 40 bis 46 stehen sich jeweils zwei Kolben bezüglich der Schwenkachse 50 diametral gegenüber, und zwar in jeder Schwenkstellung der Kolben 40 bis 46, wobei dies die Kolben 40 und 44 einerseits und die Kolben 42 und 46 andererseits sind. Die Kolben 40 bis 46 sind jedoch in dem Gehäuse 12 einzeln gelagert, d.h. nicht paarweise miteinander starr verbunden.
Jeder der Kolben 40 bis 46 weist eine Endfläche auf, d.h. der Kolben weist eine Endfläche 52, der Kolben 42 eine Endfläche 54, der Kolben 44 eine Endfläche 56 und der Kolben 46 eine Endfläche 58 auf.
Jeweils einander zugewandte Endflächen, das sind im vorliegenden Fall die Endflächen 54 und 56 der Kolben 42 und 44 sowie die Endflächen 52 und 58 der Kolben 40 und 46, begrenzen jeweils eine Arbeitskammer 60 und 62, die als Brennkammern dienen. Die Drehachse 48 geht durch beide Arbeitskammern 60, 62 hindurch, und zwar vorzugsweise in jeder Stellung der Kolben mittig.
Da jeweils benachbarte der Kolben 40 bis 46 beim Umlaufen um die Drehachse 48 zueinander gegensinnige Schwenkbewegungen ausführen, vergrößern und verkleinern sich die Arbeitskammern 60 und 62 stets gleichsinnig zueinander.
Beispielsweise von dem in 3 gezeigten Zustand maximalen Volumens der Arbeitskammern 60 und 62 ausgehend verschwenken die Kolben 40 und 46 aufeinander zu (5), ebenso die Kolben 42 und 44. Dabei verringern sich die Volumina der Arbeitskammern 60 und 62, bis zu dem in 6 dargestellten Endzustand, in dem die Arbeitskammern 60 und 62 ihr minimales Volumen einnehmen.
Es versteht sich, dass die Kolben 40 und 46 beim Verschwenken um die Schwenkachse 50 stets links von der Linie VIII-VIII in 3 bleiben, und die Kolben 42 und 44 stets rechts davon.
Um die Schwenkbewegungen der Kolben 40 bis 46 um die Schwenkachse 50 aus der Umlaufbewegung der Kolben 40 bis 46 um die Drehachse 48 abzuleiten, weist jeder Kolben 40 bis 46 ein Lauf organ 64 (Kolben 40), 66 (Kolben 42), 68 (Kolben 44) und 70 (Kolben 46) auf. Die Lauforgane 64 bis 70 sind Kugeln, die jeweils in einer Kugelpfanne 72, wie in 15 für den Kolben 40 dargestellt ist, gelagert sind, wobei die Kugelpfanne auf einer Außenseite des jeweiligen Kolbens 40 bis 46 angeordnet ist, die der Gehäuseinnenwand 39 zugewandt ist.
Die Kugeln 64 bis 70 können, wie in 3 dargestellt ist, lose in den Kugelpfannen 72 gelagert und dort durch Adhäsion mittels eines Schmierfilms gehalten sein, wobei sich die Kugelpfannen 72 dann nicht über den Durchmesser der Kugeln 64 bis 70 hinaus erstrecken, oder die Kugelpfannen können, wie in 15a) und b) dargestellt ist, durch eine sich über den Kugeldurchmesser hinaus erstreckenden Fortsatz 74 die Kugeln 64 bis 70 formschlüssig und somit unverlierbar halten.
Auf jeden Fall sind die Kugeln 64 bis 70 in den Kugelpfannen 72 in allen Richtungen um ihren jeweiligen Kugelmittelpunkt frei drehbar.
Den Lauforganen bzw. Kugeln 64 bis 70 sind zwei Steuerkurven zugeordnet, in denen die Kugeln 64 bis 70 laufen. Genauer gesagt ist den Kugeln 64 und 70 der Kolben 40 und 46 eine erste Steuerkurve 76 zugeordnet, die als Nut mit teilkreisförmigem Querschnitt in der Gehäuseinnenwand 39 ausgebildet ist. Eine entsprechende Steuerkurve 78 ist den Lauforganen bzw. Kugeln 66 und 68 der Kolben 42 und 44 zugeordnet.
Die Kugeln 64 und 70 laufen somit in derselben Steuerkurve 76, und die Kugeln 66 und 68 in derselben Steuerkurve 78. Die Kugeln 64 und 70 einerseits und die Kugeln 66 und 68 andererseits sind dabei jeweils untereinander bezüglich der Drehachse 48 um 180° versetzt.
Die Steuerkurven 76 und 78 sind mit bezüglich der Drehachse 48 zumindest näherungsweise maximalem Abstand angeordnet, wie aus 3 hervorgeht, d.h. sie befinden sich nahezu auf Höhe der Schwenkachse 50. Die Steuerkurven 76 und 78 verlaufen insgesamt im Wesentlichen orthogonal zur Drehachse 48.
In 14, die die Gehäusehälfte 14 in Alleinstellung zeigt, sind die Steuerkurven 76 und 78 im Einzelnen perspektivisch zu sehen.
Die Kolben 40 bis 46 sind in dem Gehäuse 12 in einem um die Drehachse 48 gemeinsam mit den Kolben 40 bis 46 umlaufenden Kolbenkäfig 80 gelagert, der nachfolgend mit weiteren Einzelheiten der Kolben 40 bis 46 näher beschrieben wird. In 11 bis 13 ist der Kolbenkäfig 80 in nicht geschnittenen Ansichten dargestellt.
Der Kolbenkäfig 80 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel und bevorzugt ein einstückiges Bauteil, wobei anstelle einer einstückigen Bauweise jedoch auch eine mehrstückige Bauweise denkbar ist.
Der Kolbenkäfig 80 erstreckt sich entlang der Drehachse 48 über die gesamte Länge des Gehäuses 12, wobei Wellenfortsätze 86 und 88 des Kolbenkäfigs 80 aus dem Gehäuse herausragen.
Der Kolbenkäfig 80 weist jeweils einen sich an die Wellenfortsätze 86 und 88 anschließenden Hauptlagerabschnitt 82 bzw. 84 auf, über die der Kolbenkäfig 80 in dem Gehäuse 12 drehbar um die Drehachse 48 gelagert ist. Die Lagerabschnitte 82 und 84 sind gehäusemittig über einen Mittelabschnitt 90 verbunden, der einen sich entlang der Schwenkachse 50 erstreckenden zapfenartigen Abschnitt 92 aufweist, an dem die Kolben 40 bis 46 zum Gehäusemittelpunkt bzw. zur Schwenkachse 50 hin gelagert sind.
Gemäß 10 weist der Kolbenkäfig 80 zwei Bohrungen 94 und 96 auf, in denen die Kolben 40 bis 46 gleitend gelagert sind. Genauer gesagt sind in der Bohrung 94 die Kolben 40 und 46 und in der Bohrung 96 die Kolben 42 und 44 gleitend gelagert. Die Bohrungen 94 und 96 sind kreisförmig ausgebildet, und entsprechend sind die Endflächen 52 bis 58 der Kolben 40 bis 46 ebenfalls kreisförmig ausgebildet. Die Kolben 40 bis 46 sind in den Bohrungen 94 bzw. 96 mittels Kolbenringen zur Abdichtung der Arbeitskammern 60 und 62 gelagert, wie in 3 für den Kolben 40 mit Dichtungen 98 (außen) und 100 (innen) dargestellt ist. Die Kolben 42 bis 46 weisen gemäß 3 entsprechende Dichtungen auf ihrer radialen Außenseite und ihrer radialen Innenseite auf.
Die Bohrungen 94 und 96 begrenzen zusammen mit den Endflächen 52 bis 58 die Arbeitskammern 60 und 62.
In den Bohrungen 94 und 96 des Kolbenkäfigs 80 sind die Kolben 40 bis 46 drehfest mit dem Kolbenkäfig 80 verbunden, so dass die Kolben 40 bis 46 gemeinsam mit dem Kolbenkäfig 80 um die Drehachse 48 umlaufen, während die Kolben 40 bis 46 entsprechend ihrer Schwenkbewegungen um die Schwenkachse 50 in den Bohrungen 94 und 96 gleitend beweglich sind, um die einzelnen Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens auszuführen.
Die Kolben 40 bis 46 sind im Wesentlichen, wie in 15 dargestellt ist, bogenförmig ausgebildet, und auch die Arbeitskammern 60 und 62 weisen etwa die Form eines gekrümmten oder gebogenen Zylinders auf, wobei die Krümmung konzentrisch zur Schwenkachse 50 ist.
Die Anordnung aus Kolbenkäfig 80, dem Kolben 40 bis 46 nebst den Lauforganen 64 bis 70 bildet den "Innenmotor" der Schwenkkolbenmaschine 10, d.h. diese Anordnung umfasst alle beweglichen Teile der Schwenkkolbenmaschine 10.
In den Lagerabschnitten 82 und 84 des Kolbenkäfigs 80 sind, wie beispielsweise in 4 und 9 dargestellt ist, eine Mehrzahl an Kanälen 102 bzw. 104 vorhanden, die sich umfänglich und durch das Innere der Lagerabschnitte 82 und 84 des Kolbenkäfigs 80 erstrecken, und die mit den bereits oben erwähnten Anschlüssen 28, 30 bzw. 36, 38 kommunizieren, so dass durch die Kanäle 102, 104 ein Kühl-/Schmiermedium zum Kühlen und Schmieren des Kolbenkäfigs 80 hindurchgeleitet werden kann. Die Kanäle 102 und 104 dienen vor allem zur Kühlung des Innenmotors in Nähe der Arbeitskammern 60, 62.
Gemäß 4 sind in dem Gehäuse 12 ebenfalls Kühl-/Schmiermediumkanäle 106 und 108 ausgebildet, wobei in dem Kolbenkäfig 80 in Richtung der Schwenkachse 50 eine Bohrung 110 durch dessen Mittelabschnitt 90 hindurchgeht, der ebenfalls als Kühl/Schmiermediumkanal dient. Bei der Rotation des Kolbenkäfigs 80 um die Drehachse 48 wird das in der Bohrung 110 befindliche Kühl-/Schmiermedium auf Grund von Zentrifugalkräften in Richtung Gehäuseinnenwand 39 geschleudert. Auf diese Weise wird eine Kühlung bzw. Schmierung der Kolben 40 bis 46 und der Lauforgane 64 bis 70 im Zentrum des Innenmotors bewerkstelligt. An den Lauforganen 64 bis 70 dient der sich dabei bildende Schmierfilm auch dazu, die Lauforgane 64 bis 70 in den Kugelpfannen 72 der Kolben 40 bis 46 durch Adhäsion zu halten, sofern nicht wie in 15 dargestellt ist, dies durch einen Formschluss bewerkstelligt wird.
Die Bohrung 110 erweitert sich an ihren beiden Enden trompetenartig, um die Verteilung des Kühl-/Schmiermediums im Zentrum des Gehäuses 12 noch zu verbessern.
Gemäß 9 und 10 sind in dem Kolbenkäfig 80 noch zwei weitere Bohrungen oder Kanäle 114 und 116 vorgesehen, die einerseits in den Bohrungen 94 bzw. 96 münden, und andererseits zur Gehäuseinnenwand 39, und zwar auf Höhe der Einlass- bzw. Auslassstutzen 20 und 22 bzw. 24 und 26 münden. Die Kanäle 114 und 116 dienen dazu, in einer Drehstellung des Kolbenkäfigs 80 um die Drehachse 48 durch die Einlassstutzen 20 bzw. 24 ein Brennstoff-Luftgemisch in die Arbeitskammern 60, 62 einzulassen, und in einer davon unterschiedlichen Drehstellung verbranntes Brennstoff-Luftgemisch durch die Auslassstutzen 22 und 26 auszustoßen. In den übrigen Drehstellungen verschließt der Kolbenkäfig 80 diese Stutzen. Der Kolbenkäfig 80 übernimmt somit gleichzeitig die Funktion eines Ventils zum Freigeben und Verschließen der Anschlussstutzen 20 bis 26.
Wie weiterhin aus 10 hervorgeht, ist in dem Kolbenkäfig 80 für jede Arbeitskammer 60 und 62 jeweils eine Zündkerze 118 und 120 vorgesehen, die auf der Drehachse 48 angeordnet sind und sich zusammen mit dem Kolbenkäfig 80 um diese drehen. Elektrische Zuleitungen (nicht dargestellt) sind entsprechend über beispielsweise Schleifringe mit den Zündkerzen 118 und 120 verbunden. Im Fall der Verwendung der Schwenkkolbenmaschine 10 als Dieselmotor handelt es sich bei den Kerzen 118 und 120 entsprechend um Glühkerzen.
Die um 180° bezüglich der Drehachse 48 versetzte Anordnung der Anschlussstutzen 20 und 22 gegenüber den Anschlussstutzen 24 und 26 dient dazu, dass zumindest in einer der Arbeitskammern 60 und 62 beim Umlaufen der Kolben 40 bis 46 um die Drehachse 48 um 360° stets ein Expansionsvorgang erfolgt. Wenn also in der Arbeitskammer 60 gerade ein Arbeitstakt des Expandierens stattfindet, findet in der Arbeitskammer 62 ein Arbeitstakt des Ausstoßens verbrannten Brennstoff-Luftgemisches auf, und umgekehrt.
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Schwenkkolbenmaschine 10 beschrieben.
Ausgehend von der Betriebsstellung der Kolben 40 bis 46 gemäß 3 und 4 befinden sich dort die Kolben 40 bis 46 in ihrer sog. UT-(Unterer Totpunkt)-Stellung. Nach einer 45°-Drehung um die Drehachse 48 haben sich die Kolben 40 und 46 bzw. 42 und 44 um die Hälfte aufeinander zu bewegt, wie in 5 dargestellt ist. Die Arbeitskammern 60 und 62 haben sich dabei etwa um die Hälfte ihres Volumens verkleinert. Die Schwenkbewegung der Kolben 40 bis 46 wurde dabei durch die Führung der Lauforgane 64 bis 70 in den Steuerkurven 76 und 78 vermittelt.
Nach einer weiteren Drehung um 45° um die Drehachse 48 nehmen dann die Kolben 40 bis 46 die in 6 und 7 dargestellte OT-(Oberer Totpunkt)-Stellung ein, in der die Volumina der Arbeitskammern 60 und 62 minimal sind. Nach einer weiteren Drehung um 45° um die Drehachse 48 in fortgesetzter Richtung nehmen dann die Kolben 40 bis 46 wieder die Stellung in 5 und nach einer weiteren Drehung um 45° die Stellung gemäß 3 ein. Nach einer Drehung um 180° um die Drehachse 48 sind die Arbeitskammern 60 und 62 wieder maximal.
Nach einer vollen Drehung um 360° haben somit in jeder der Arbeitskammern 60 und 62 einmal die vier Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens stattgefunden.
In 10A ist eine geringfügig abgewandelte Ausgestaltung einer Schwenkkolbenmaschine 10' dargestellt, die sich von der Schwenkkolbenmaschine 10 lediglich dadurch unterscheidet, dass die Bohrungen 94' und 96' im Kolbenkäfig 80' und entsprechend die Endflächen 52' und 54' (Gleiches gilt für die nicht dargestellten Endflächen 56' und 58') nicht kreisförmig, sondern wie in 10A beispielsweise dargestellt, oval oder ellipsenförmig sind. Hierdurch können die Arbeitskammern 60' und 62' gegenüber der kreisförmigen Ausgestaltung vergrößert werden.
In 16 und 17 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schwenkkolbenmaschine 10'' dargestellt, das sich von der Schwenkkolbenmaschine 10 bzw. Schwenkkolbenmaschine 10' wie folgt unterscheidet.
Während das Gehäuse 12 der Schwenkkolbenmaschine 10 und der Schwenkkolbenmaschine 10' Kugelsymmetrie besitzt, ist das Gehäuse 12'' der Schwenkkolbenmaschine 10'' oblong ausgebildet. Genauer gesagt besteht das Gehäuse 12'' aus zwei Halbkugeln 13'' und 15'', zwischen die ein sich in Richtung der Drehachse 48'' erstreckender länglicher Abschnitt 17'' eingefügt ist. Auf diese Weise wird das Gehäuse 12'' in Richtung der Drehachse 48'' gegenüber der Ausführung des Gehäuses 12 länger, was folgende Maßnahmen ermöglicht.
So ist am Mittelabschnitt 90'' des Kolbenkäfigs 80'', der gemäß 17 im Querschnitt ebenfalls oblong ausgebildet ist, innenseitig einen Hohlzapfen 122 angeordnet, der in seiner Wand eine Öffnung 124 aufweist. Der Mittelabschnitt 90'' weist auf der Drehachse 48'' zwei Öffnungen 126 und 128 auf, mit der die Öffnung 124 des Hohlzapfens 122 je nach dessen Drehstellung kommuniziert, wobei die Öffnung 124 jeweils nur mit einer der Öffnungen 126 und 128 kommunizieren kann. Der Hohlzapfen 124 ist in dem Mittelabschnitt 90'' drehbar um die Schwenkachse 50'' gelagert. Die Drehbewegung des Hohlzapfens 122 um die Schwenkachse 50'' wird aus der Umlaufbewegung des Kolbenkäfigs 80'' um die Drehachse 48'' abgeleitet. Hierzu weist der Mittelabschnitt 90'' an einem Ende ein Getriebe 130 auf, das eine mit dem Hohlzapfen 122 fest verbundene Schneckenverzahnung 132 aufweist. Die Schneckenverzahnung oder Schneckenrad 132 kämmt mit einer konzentrisch um die Drehachse 48 angeordneten Zahnung 134, so dass beim Umlaufen des Mittelabschnitts 90'' einschließlich des Hohlzapfens 122 um die Drehachse 48 die Schneckenverzahnung 132 und damit der Hohlzapfen 122 in Drehung um die Schwenkachse 50'' versetzt wird.
Im Gehäuse ist ferner ein Einlass 136 für Frischluft vorgesehen, die durch eine beispielsweise übliche Ventilvorrichtung 138 geschlossen und geöffnet werden kann. Durch den Einlass 136 kann nun Frischluft, insbesondere vorkomprimierte Frischluft, in das Innere des Hohlzapfens 122 eingeleitet werden, und je nach Drehstellung des Hohlzapfens 122 relativ zu den Öffnungen 126, 128 wird dann die Frischluft in die Arbeitskammern 60'' oder 62'' eingeleitet, und zwar zusätzlich zu der Zufuhr von Brennstoff-Luftgemisch durch die Anschlussstutzen 20'' und 24''. Auf diese Weise ist die Schwenkkolbenmaschine 10'' ein Motor mit sog. Aufladung.
Die Schneckenverzahnung 132 und die Zahnung 134 sind entsprechend so auszulegen, dass die Drehbewegung des Hohlzapfens 122 um die Schwenkachse 50'' mit den Kolbenstellungen der Kolben 40'' bis 46'' in geeigneter Weise synchronisiert ist. Das heißt, die Frischluftzufuhr durch den Hohlzapfen 122 in die Arbeitskammer 60'' bzw. in die Arbeitskammer 62'' sollte vorzugsweise dann erfolgen bzw. die Öffnung 124 sollte mit der jeweiligen Öffnung 126 und 128 dann kommunizieren, wenn das Zünden des durch die Einlassstutzen 20'' und 24'' eingelassener Brennstoff-Luftgemisch gerade vor seiner Zündung steht. Eine 360°-Drehung des Hohlzapfens um die Drehachse 48'' sollte eine 360°-Drehung desselben um die Schwenkachse 50 hervorrufen.
Im Übrigen entspricht die Schwenkkolbenmaschine 10'' den Ausgestaltungen der Schwenkkolbenmaschine 10 oder 10', so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
In 18 bis 21 sind ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schwenkkolbenmaschine 210 sowie deren Einzelheiten darge stellt. In den 18 bis 21 wurden solche Teile, die mit den Teilen der Schwenkkolbenmaschine 10, 10' und/oder 10'' gleich oder vergleichbar sind, mit den gleichen Bezugszeichen, jedoch um 200 erhöht verwendet. So weist bspw. die Schwenkkolbenmaschine 210 ein Gehäuse 212 auf. Nachfolgend werden nur solche Aspekte der Schwenkkolbenmaschine 210 beschrieben, die sich von den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen unterscheiden.
Die Schwenkkolbenmaschine 210 weist in dem Gehäuse 212 vier Kolben 240 bis 246 auf, wobei die Kolben 240 und 246 als erstes Kolbenpaar und die Kolben 242 und 244 als zweites Kolbenpaar bezüglich der Drehachse 248 so angeordnet sind, dass die Schwenkbewegungen der Kolben 240 und 246 in einer ersten Ebene und die Schwenkbewegungen der Kolben 242 und 244 in einer zweiten Ebene erfolgen, wobei die erste und die zweite Ebene bezüglich der Drehachse 248 relativ zueinander um einen Winkel ungleich 0°, und im vorliegenden Ausführungsbeispiel um 90° zueinander verdreht sind.
Dies bedeutet, dass die Schwenkachse der Kolben 240 und 246 senkrecht zur Schwenkachse der Kolben 242 und 244 verläuft. In 19 ist eine Schwenkachse 250 der Kolben 242 und 244 eingezeichnet, die senkrecht zur Zeichenebene der 19 verläuft, während eine Schwenkachse 251 der Kolben 240 und 246 senkrecht zur Schwenkachse 250 und somit in der Zeichenebene in 19 verläuft.
Die um 90° bezüglich der Drehachse 248 versetzte Anordnung der Kolbenpaare 240, 246 und 242, 244 wird auch aus 21 deutlich, in der ein Kolbenkäfig 280 der Schwenkkolbenmaschine 210 mit den Kolben 240 bis 246 und diesen zugeordneten Lauforganen 264, 266, 268, 270 in Form von Kugeln in Alleinstellung dargestellt sind. Die in 21 dargestellten Teile der Schwenkkolbenmaschine 210 bilden zusammen wiederum den Innenmotor der Schwenkkolbenmaschine 210.
Der Kolbenkäfig 280 unterscheidet sich entsprechend von dem Kolbenkäfig 80 der Schwenkkolbenmaschine 10 dadurch, dass die die Arbeitskammern 260 und 262 definierenden Bohrungen 294 und 296 orthogonal zueinander verlaufen.
Durch die orthogonal zueinander liegende Anordnung der Arbeitskammern 260 und 262 aufgrund der entsprechend orthogonal zueinander verlaufenden Anordnung der Paare von Kolben 240, 246 einerseits und 242, 244 andererseits ist der maximale Öffnungswinkel der jeweiligen Paare von Kolben 240, 246 bzw. 242, 244 und damit das maximale Volumen der Arbeitskammern 260, 262 gegenüber der Schwenkkolbenmaschine 10 in 1 vergrößert.
Dies ergibt bspw. ein Vergleich der 19 und 3. 3 zeigt die Kolben 40 bis 46, wie bereits oben beschrieben, in ihrem maximalen Öffnungswinkel bzw. in ihrer UT-Stellung, in der die Arbeitskammern 60 und 62 ihr maximales Volumen einnehmen.
19 zeigt entsprechend die Kolben 240 bis 246 in ihrem maximalen Öffnungswinkel bezüglich den Schwenkachsen 250 und 251, d.h. ebenfalls in ihrer UT-Stellung.
Während bei der Schwenkkolbenmaschine 10 alle vier Kolben 40 bis 46 um die gemeinsame Schwenkachse 50 verschwenkbar sind oder mit anderen Worten die Schwenkbewegungen der Kolben 40 bis 46 in derselben Ebene verlaufen und somit die Arbeitskammern 60 und 62 in einer selben Ebene angeordnet sind, bedeutet dies, dass sich die Lauforgane 64 und 66 einerseits und 68 und 70 andererseits bei dieser Anordnung etwa auf der Orthogonalen zur Drehachse 48 sehr nahe kommen, wodurch die zugehörigen Steuerkurven 76 und 78 so ausgebildet sein müssen, dass in der UT-Stellung die Lauforgane 64 und 66 einerseits und 68 und 70 andererseits nicht miteinander kollidieren.
Durch die um 90° versetzte Anordnung der Kolbenpaare 240, 246 einerseits und 242, 244 andererseits gemäß der Schwenkkolbenmaschine 210 besteht dieses Problem nicht, da auch die Lauforgane 264, 266 und 268, 270 um 90° zueinander versetzt in ihren Steuerkurven 276 bzw. 278 laufen. Dadurch können die Steuerkurven 276, 278 noch näher an die Orthogonale (Linie A in 19) heranreichend ausgebildet werden bzw. über diese hinausreichen, wodurch der maximale Öffnungswinkel der Kolbenpaare 240, 246 bzw. 242, 244 gegenüber der Schwenkkolbenmaschine 10 vergrößert werden kann, in dem gezeigte Ausführungsbeispiel um ca. 10°. Damit ist aber auch das maximale Volumen der Arbeitskammern 260, 262 der Schwenkkolbenmaschine 210 vergrößert, wodurch sich ein noch höheres Verdichtungsverhältnis bei der Schwenkkolbenmaschine 210 gegenüber der Schwenkkolbenmaschine 10 erreichen lässt.
Wie bei der Schwenkkolbenmaschine 10 vergrößern und verkleinern sich die Arbeitskammern 260, 262 der Schwenkkolbenmaschine 210 gleichsinnig. Bspw. wenn die Arbeitskammer 260 im Zuge eines Arbeitstaktes expandiert, expandiert die Arbeitskammer 262, um neues Frischgas anzusaugen. Die beiden Vorgänge erfolgen somit zeitlich gleichzeitig, jedoch räumlich um 90° zueinander versetzt. Es kommt dadurch somit immer und erwünschtermaßen zur Öffnung und Schließung beider Arbeitskammern 260, 262 zur gleichen Zeit.
Gemäß 18 sind bei der Schwenkkolbenmaschine 210 des Weiteren Einlassstutzen 220 und 224 nicht wie bei der Schwenkkolbenmaschine 10 bezüglich der Drehachse 248 diametral gegenüberliegend angeordnet, sondern um 90° zueinander versetzt. Entsprechendes gilt für Auslassstutzen 222, von denen in 18 nur der der Arbeitskammer 260 zugeordnete Auslassstutzen 222 zu sehen ist.
In 22 ist ein Diagramm dargestellt, das die Funktion der Schwenkkolbenmaschine 210 hinsichtlich der Arbeitstakte des Expandierens, Ausstoßens, Ansaugens und Verdichtens in den beiden Arbeitskammern 260 und 262 veranschaulicht.
In den Diagrammen sind die Steuerkurven 276 und 278 abgewickelt dargestellt, wobei sich aus dieser Darstellung ergibt, dass die beiden Steuerkurven 276 und 278 nunmehr schlangenförmig parallel zueinander verlaufen, während die Steuerkurven 76 und 78 der Schwenkkolbenmaschine 10 spiegelsymmetrisch bezüglich einer Mittelebene durch den Gehäusemittelpunkt des Gehäuses 12 senkrecht zur Drehachse 48 spiegelsymmetrisch ausgebildet bzw. angeordnet sind.
In 22 ist ferner symbolisch ein Rechteck für das jeweilige Kolbenpaar 240, 246 (Arbeitskammer 260) und die zugehörigen Lauforgane 264, 270 in Form eines Teilkreises dargestellt, wobei die Lauforgane 264, 270 entlang der Steuerkurve 276 lau fen. Entsprechendes ist für das zweite Kolbenpaar 242, 244 und deren Lauforgane 264, 270 in Bezug auf die Steuerkurve 278 und die Arbeitskammer 262 dargestellt.

Claims

Schwenkkolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12; 212), in dem ein erster und zumindest ein zweiter Kolben (40, 46; 240, 246) angeordnet sind, die gemeinsam in dem Gehäuse (12; 212) um eine gehäusefeste Drehachse (48; 248) umlaufen können, und die beim Umlaufen um die Drehachse (48; 248) um eine senkrecht zur Drehachse (48; 248) und durch die Gehäusemitte verlaufende Schwenkachse (50; 251) zueinander gegensinnige hin- und hergehende Schwenkbewegungen ausführen, wobei der erste Kolben (40; 240) eine erste Endfläche (52; 252) und der zumindest zweite Kolben (46; 246) eine der ersten Endfläche (52; 252) zugewandte zweite Endfläche (58; 258) aufweist, wobei die Endflächen (52, 58; 252, 258) eine Arbeitskammer (60; 260) begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolben (40, 46; 240, 246) so angeordnet sind, dass die Drehachse (48; 248) durch die Arbeitskammer (60; 260) verläuft.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Endfläche (52, 58; 252, 258) kreisförmig ausgebildet sind.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zumindest zweite Kolben (40, 46; 240, 246) im Wesentlichen bogenförmig ausgebildet sind.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (40; 240) und/oder der zumindest zweite Kolben (46; 246) zumindest ein Lauforgan (64, 70; 264, 270) aufweist, das beim Umlaufen des ersten und/oder zumindest zweiten Kolbens (40, 46; 240, 246) entlang einer entsprechend ausgebildeten Steuerkurve (76; 276) geführt ist, um die Schwenkbewegungen des ersten und zumindest zweiten Kolbens (40, 46; 240, 246) zu erzeugen, wobei die Steuerkurve (76; 276) am Gehäuse (12; 212) mit bezüglich der Drehachse (48, 248) zumindest näherungsweise maximalem Abstand angeordnet ist.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Lauforgan (64, 70; 264, 270) eine Kugel ist, die drehbar in einer Kugelpfanne (72; 272) an einer dem Gehäuse (12; 212) zugewandten Außenseite des ersten und/oder zumindest zweiten Kolbens (40, 46; 240, 246) gelagert ist, und dass die Steuerkurve (76; 276) als Nut mit teilkreisförmigem Querschnitt im Gehäuse (12; 212) ausgebildet ist, in die die Kugel teilweise eingreift.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zumindest zweite Kolben (40, 46; 240, 246) in einem Kolbenkäfig (80; 280) gleitend gelagert sind, der im Gehäuse (12; 212) konzentrisch zur Drehachse (48; 248) um diese drehbar angeordnet ist, wobei der Kolbenkäfig (80; 280) mit dem ersten und zumindest zweiten Kolben (40, 46; 240, 246) bezüglich der Umlaufbewegung um die Drehachse (48; 248) drehfest verbunden ist.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkäfig (80; 280) etwa senkrecht zur Drehachse (48; 248) eine Bohrung (94; 294) aufweist, in der der erste und zumindest zweite Kolben (40, 46; 240, 246) teilweise und darin gleitend aufgenommen sind, und die die Arbeitskammer (60; 260) in Umfangsrichtung begrenzt.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kolbenkäfig (80; 280) ein Kanal (114; 314) hindurchgeht, der einerseits in der Bohrung (94; 294) mündet, und andererseits zum Gehäuse (12; 212) hin mündet, um je nach Drehstellung des Kolbenkäfigs (80; 280) mit einer Einlass- oder mit einer Auslassöffnung im Gehäuse (12; 212) zu kommunizieren.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkäfig (80; 280) zumindest einen Kanal (102; 302) für ein Medium, insbesondere Kühl-/Schmiermedium aufweist, der sich zumindest teilumfänglich und durch das Innere des Kolbenkäfigs (80; 280) erstreckt.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Kolbenkäfig (80) auf Höhe der Schwenkachse (50) in deren Richtung eine Bohrung (110) hindurchgeht, die sich vorzugsweise zu ihren Enden hin erweitert.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (12; 212) ein dritter und vierter Kolben (42, 44; 242, 244) angeordnet sind, die um dieselbe Schwenkachse (50; 251) oder eine von dieser verschiedenen Schwenkachse (250) verschwenkbar sind, und mit dem ersten und zweiten Kolben (40, 46; 240, 246) um die Drehachse (48; 248) umlaufen können und eine zweite Arbeitskammer (62; 262) definieren.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vier Kolben (40–46) so angeordnet sind, dass sich die erste und zweite Arbeitskammer (60, 62) beim Umlaufen der Kolben (40–46) um die Drehachse (48) gleichsinnig vergrößern und verkleinern.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kolben (40, 46) und der dritte und vierte Kolben (42, 44) bezüglich der Drehachse (48) so angeordnet sind, dass die Schwenkbewegungen aller Kolben (40–46) in derselben Ebene erfolgen.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Kolben (240, 246) und der dritte und vierte Kolben (242, 244) bezüglich der Drehachse (248) so angeordnet sind, dass die Schwenkbewegungen des ersten und zweiten Kolbens (240, 246) in einer ersten Ebene und die Schwenkbewegungen des dritten und vierten Kolbens (242, 244) in einer zweiten Ebene erfolgen, wobei die erste und die zweite Ebene bezüglich der Drehachse (248) relativ zueinander um einen Winkel ungleich 0° verdreht sind.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zumindest annähernd 90° beträgt.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10 und einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkäfig (80; 280) sich beidseits der Schwenkachse (50) bzw. Schwenkachsen (250, 251) erstreckt und auch den dritten und vierten Kolben (42, 44; 242, 244) aufnimmt.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gehäuseinnenwand (39; 239) des Gehäuses im wesentlichen kugelförmig ist.
Schwenkkolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gehäuseinnenwand (39'') des Gehäuses (12'') im Schnitt entlang einer Ebene, die die Drehachse (48'') beinhaltet, in Richtung der Drehachse (48'') oblong ist.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (12'') ein um die Schwenkachse (50'') drehbarer Hohlzapfen (122) angeordnet ist, der in seiner Wand eine Öffnung (124) aufweist, die in Abhängigkeit der Drehstellung des Hohlzapfens (122) mit der ersten Arbeitskammer (60'') oder gegebenenfalls mit der zweiten Arbeitskammer (62'') kommuniziert.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlzapfen (122) mit einem Getriebe (130) verbunden ist, das beim Umlaufen der Kolben (40''–46'') um die Drehachse (48'') den Hohlzapfen (122) in Drehung um die Schwenkachse (50'') versetzt.
Schwenkkolbenmaschine nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (130) eine mit dem Hohlzapfen (122) verbundene Schneckenverzahnung oder Schneckenrad (132) aufweist, die mit zumindest einer am Gehäuse (12'') angeordneten Zahnung (134) kämmt, die sich um die Drehachse (48'') herum erstreckt.