DE2324815A1 - Hochkomprimierende hubrotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

• Hochkomprimierende Hubrotationskolbenmaschine In einer ersten Anmeldung P 2218453.8 wurden die Eigenschaften und Vorzüge einer Hubrotationskolbenmaschine dargelegt. Grund-Idee der Erfindung war, den zylindrischen Kolben der Maschine zusätzlich zu seiner Eub- noch eine Rotationsbewegung durchführen zu lassen. Eine oder mehrere Verbindungsbohrunoen an Körper des Kolbens angebracht, erlauben die Steuerung der Beladung der Kasehine, indem sie den Arbeitsraum in periodischen Kontakt mit an der Innenwand des Zylinders stehenden Ein- bzw. Auslaßöffnungen bringen.
• Die figur 1 (der ersten Anmeldung entnoasen) veranschaulicht das Prinzip der Funktion einer Hubrotationskolbenmaschine. An den Kolben 1 ist die Bohrung 5 angebracht, die den Arbeitsraum 2 mit der Innenfläche des Zylinders 5 verbindet. Die Zeichnungen a bis i irn oberen Teil der Figur 1 zeigen den Kolben in verschiedenen während seiner Hubrotationsbewegung erreichten Stellungen. In unteren Teil ist die Innenfläche 5 des Zylinders ausgerollt gezeichnet und man kann die Spur 6 erkennen, die die Mündung 4 der Bohrung 3 auf dieser Fläche beschreibt. Auf dieser Spur sind entsprechende Öffnungen (7, 8) vorgesehen, die zu Ein- bzw. Auslaß des Arbeitsmediums dienen, sodaß die Maschine allein durch die Bewegung ihres Kolbens ihre Belandung selbst steuert Das Entfallen des komplizierten und aufwendigen Steuermechanismus hat eine wesentliche Verminderung der Herstellungs- und Reparaturkosten zur Folge.
• Der Gesamtbauraum der Maschine wird kleiner gehalten, und die Betriebsgeräusche auf ein Mininum beschränkt. Hinzu kommt die Tatsache, daß während der ganzen Phase des Ein- bzw. Ausströmens des Arbeitsmediums der volle Querschnitt der Verbindungsbohrung zur Ärerfügung steht, was für schneliaufende Maschinen vom besonderen Vorteil ist. Weitere Vorteile, die mit der jeweiligen Anwendung der Maschine und der Art des angewandten Getriebe zusammenhängen, sind in der ersten Anmeldung ins Detail besprochen Inlialt dar Zusatzanmeldung ist eine Erfindung7 die die Minimalisierung des toten Raumes einer Hubrotationskolbenmaschine bezweckt, wie es zweckmäßig ist, für Maschinen, die mit einem komprimierbaren Medium arbeiten. Minimalisierung des toten Raumes bedeutet für eine Hubrotationskolbenmaschine Minimalisierung des Innenvolumes der Verbindungsbohrung. Die Aufgabe wurde erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbindungsbohrung so ausgelegt wird, daß während der Hubbewegung der gegenüber dem Kolben liegende Teil der Maschine (Dach des Arbeitsraums) in die Verbindungsbohrung hineinragt, sodaß ein minimaler toter Raum übrig bleibt.
• wie man in Fig. 1. sieht, besteht die Verbindungsbohrung 3 aus zwei Teilen: Den radialen-und den axialen Teil. Denkt man an der Decke des Arbeitsraums einen Stempel angejbracht der in die Verbindungsbohrung hineinpaßt, so ist verständlich, daß in der höchsten Position des Kolbens das Volumen des axialen Teils der Verbindungsbohrung eliminiert werden kann. Somit hängt der tote Raum der Maschine nur vom Durchmesser und der Länge des radialen Teilsder Verbindungsbohrung ab.Der Durchmesser der Bohrung wird aus strömungsmechanischen tiberiegungen möglichst groß gewünscht, es bleibt also nur ihre Länge klein zu halten und dies kann man erreichen, inden man den axialen Teil der Bohrung entweder unsymetrisch zu der Achse möglichst nahe an Rand bringt oder homozentrisch'zu der Achse so groß gestaltet, daß aus dem Kolbenkörper nur ein Mantel übrig bleibt und der ganze Arbeitsraum innerhalb des Kolbens versetzt wird.
• Der in die Verbindungsbohrung ragende Teil der Maschine kann gegenüber dem Kolben entweder abgedichtet (der Kolben hat nun eher die Funktion eines bewegten Zylinders übernommen, und seine Abdichtung gegenüber dem Maschinenkörper entfällt) oder unabgedichtet sein; kann unbewegt sein oder an einer Rotations- und oder Hubbewegung teilnemhen. Dadurch entsteht eine Vlelfalt von Kombinationsmöglichkeiten, einige von denen hier anhand folOender Ausführungsbeispiele- diskutiert werden.
• Figur 2 zeigt eine Ausführung, bei der der axiale Teil der Verbindungsbohrung so groß gehalten ist, daß der Arbeitsraum sich in dem Kolben befindet. Der Name "Kolben" wird nur dadurch gerechtfertigt, daß dieser Teil eine Hubbewegung ausführt und zur Übertragung der Bewegung auf die Achse verwendet wird. Der Kolben 1 befindet sich in seiner höchsten Position. Der Stempel 9 ist in Berührung mit dem Kolben im Boden des Arbeitsraum gekommen. Der Arbeitsraum hat sich auf das Innenvolumen des radialen Teils der Verbindungsbohrung beschränkt. Gleichzeitig ist der Kolben so ausgelegt, daß in ihm ein zweiter Arbeitsraum entstanden ist, der vom Stempel 10 beschränkt wird. In dieser Position des Kolbens ist die ganze Länge des axialen Teils der Verbindungsbohrung. frei. Dieser Arbeitsraum hat das Maximum seines Volumens erreicht.
• Die Stempel 9 und 10 sind abgedichtet gegenüber dem Kolben und führen eine gleichzeitige Drehbewegung mit ihm. Die Abdichtung des Kolbens gegenüber dem unbewegten Teil der Maschine entfällt bis auf der Abdichtung der die Beladung der Arbeitsräume steuernden Mündungen der Mffnungen 11 und 12. Die Tatsache, daß die Stempel 9 und 10 und der Kolben 1 eine relativ zueinander nur geradlinige Bewegung ausführen und zwar ohne seitliche Belastung, erlaubt eine besonders wirksame und verschleißarme Abdichtung.
• Die Kurvenführungen 15 und 14 und die Gerade führungen 15 und 16 übernennen die- Bewegungsumsetzung. Die Lager 21 und 23 übernehmen die auf die Stempel wirkende Axialkräfte.. Rollager über die Stifte 19 und 20 erniedrigen die Reibung auf die Kurvenführungen 13 und 14 und die Geradeführungen 15 und 16. Die -Funktion der beiden Arbeitsräume ist um 90° verschoben und so sind durch die Öffnungen 7 und 8 um 900 versetzt, damit die Beladung der Maschine mittels der gleichen seitlichen Öffnungen 23 erfolgen kann In dieser Ausführung ein einziger translatorisch bewegter Teil (der Kolben 1) vollzicht die Gesamtfunktionen einer Zweizylindermaschine.
• Stellt laan sich zwei solche Einheiten hintereinander so geschaltet, daß in der gleichen Hauptbohrung des Maschinenkörpers zwei Kolben eine gegenlaufige Bewegung ausführen, so hat man eine "Vierzylinder"- Efaschine vor sich, die das Optimum an Gesamtbauraumersparnis, Einfachheit der Konstruktion und Kompensation der bewegten Nassen darstellt.
• Die Ausführung nach Figur 5 ist im Prinzip die gleiche wie die der Figur 2.
• Der über die Kurvenführungen 25 und 26 und die Stifte 26 und 27 geführte Kolben 1 steuert die Beladung; der Arbeitsräume 28 und 29 und überträgt die Bewegung an die Achsen 30 und 31. Das Besondere dieser Ausführung ist, daß obwohl die Hub länge der Arbeitsräume die gleiche geblieben ist wie in der Ausführung der Figur 2 (der Arbeitsraum 28 hat das Maximum, der 29 das Minimum seines Voluriens), der Kolben 1 nur die Hälfte der geradlinigen Bewegung auszuführen braucht. Die andere Hälfte entsteht durch entgegenLesetYte Bewegung der Stempel. Die Achsen 30 und 31 sind nicht mehr so gelagert, daß eine geradlinige Bewegung verhindert wird, sondern im Gegenteil von den Stiften 32 und 33 geführt, vollziehen auch eine Hubrotationsbewegung. Diese Bewegung ist die gleiche wie die des Kolbens 1, da sie von der gleichen Kurvenführungen auferlegt wird allerdings mit einem Phasenunterschied von 900. Dadurch entsteht als Summe der Bewegung eine doppelt so lange relative Bewegung des Kolbens gegenüber den Stempeln. Die Bewegung der Achsen 30 und 31 wird entweder über Geradeführungen zu reiner Drehbewegung umgewandelt oder direkt zur Antrieb anderer auf das Hubrotationsprinzip funktionierenden Maschinen verwendet.
• Die Ausführung nach Fig. 3 ist besonders für schnellaufende Maschine gedacht.
• Schnellaufende Maschinen werden bekanntlich mit Mat erialfes tigiceitsproblemen konfrontiert, die aus der alternierenden Beschleunigung translatorisch bewegter Massen herrühren. In der Ausführung nach Fig. 3, bei der Dach und Boden des Arbeitsraums bewegt werden, sind diese Massenkräfte halb so groß wie in einer Maschine, bei der für die gleiche Hublänge nur ein Teil bewegt wird. Wenn die Masse der beiden Stempel (Stifte und Achsenteile mitberechnet) gleich der Masse des Kolbens ist, so hat rnan eine ab solute Kompensation der bewegten Massen, und somit stellt die Ausführung nach Fig. 3 eine von diesem Gesichtpunkt ideale Lösung dar.
• Der Kolben 1 und die Stempel 35 der Ausführung nach Fig. 4 bewegen sie sich auch in entgegengesetzter Richtung. Dadurch kommt (genau wie in der Ausführung nach Fig. 5) eine doppelt so lange Hublänge zustande als die translatorische Bewegung jeden Teils. Das Besondere an der Ausführung nach Fig. 4 liegt an die Art des zur Übertragung der Bewegung verwendeten Getriebes. Es besteht jeweils aus zwei Kardangelenke (35, 36, 37, 38) und eine Kurbel (39, 40). Wie nan sich leicht davon überzeugen kann, führt eine reine Drehbewegung der Achsen 41 und 42 zu der Hubrotationsbewegung des Kolbens und des Stempels. Die Hubbewegung kommt dadurch zustande, weil die Achsen 41 und 42 nicht mit der geometrischen Achse des Zylinders der Maschine zusan-menfallen; wäre nämlich dies der Fall, so würden Kolben und Stempel keine Hubbewegung mehr ausführen sondern sich berührend in der Mitte des Zylinders nur rotieren.
• Wenn die Achsen 41 und 42 o gelagert sind, daß sie parallel versetzt werden können, (dabei kann die Ebene dieser Versetzung eine zylindrische Flache sein, 1 sodaß die Bewegungsübertragung mittels Stirnr-der erfolgen kann) so entsteht ein kleiner oder größerer Hub für jeden der hubrotierenden Teilen je nachdem, ob die entsprechende Achse näher oder entfernter zu der geometrischen Achse der Maschine liegt. Dies hat eine variable Leistung der maschine zur Folge, ja sogar (wenn die Achsen über die Ruhestellung verschoben werden) eine Umkehrung ihrer Arbeitsrichtung (bei Motoren Umkehrung der Drehrichtung bei Kompressoren USçehrung der Flußrichtung des Arbeitsmediums). Die Tatsache daß diese Veränderung auch wahrend des Betriebs erfolgen kann stellt einen besonderen Vorteil solcher Maschinen dar.
• Sieht man vom Vorteil der gleichzeitigen Hubbewegung von Kolben und Stempel ab, so kann man durch eine unterschiedliche Kinematik dieser Teile ein wesentlich komnlizierteres Zeitgesetz für die Abläufe im Arbeitsraum erreichen. So kann man z.B. trotz des grundlegenden Zweitakt-Rythmus des Kolbens (für jede Umdrehung eine Hubbewegung) eine Viertakt-Funktion der Maschine dadurch erreichen, daß der Sterapel mit der doppelten Frequenz als der Kolben bewegt wird.
• Mehrzylindermaschinen werden aus mehreren Einheiten nach den beschriebenen Ausführungsbeispielen zusammengesetzt Entweder werden auf die gleiche Hauptbohrung des Maschinenkörpers mehrere Kolben hintereinander gestellt oder mehrere Bohrungen werden um eine gemeinsame Welle angelegt auf die alle Kolben wirken.

Claims (12)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Maschine mit veränderlichem Innenarbeitsraum insbesondere für die Verwendung als Kraftmaschine und/oder als Beförderungsmaschine für Gase und Flüssigkeiten und/oder als Verdichtungsmaschine für Gase, dadurch gekennzeichnet, daß ihr Arbeitsraum dadurch entsteht, daß in einer zylindrischen Bohrung des Maschinenkörpers ein zylindrischer Kolben eine Hub- rund gleichzeitig Rotationsbewegung um die eigene Achse ausführt.

2. Maschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Bohrung oder -Bohrungen, die an den Körper des Kolbens angebracht sind und in Verbindung mit dem Arbeitsraum stehen, wahrend der Hubrotationsbewegung des Kolbens in Kontakt mit entsprechenden Öffnungen an der Innenseite des Zylinders treten und dadurch das Ein- und Ausströmen des Arbeitsmediums steuern.

3. Maschine nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß der gegenüber dem Kolben liegende Teil der Maschine zu einem oder mehreren Stempeln ausgebildet ist, die in die Verbindungsbohrung oder Bohrungen hineinragen und den toten Raum verringern.

4. Maschine nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel gegenüber der Innenwand der Bohrurg abgedichtet ist, sodar die Abdichtung des Kolbens zu dem Zylinder der Maschine bis auf die Abdichtung der Mündung der Verbindungsbohr-ung entfällt.

5. Iiaschine nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel eine Rotations- oder Kreis- und/oder Hubbewegung ausführt, die zusammen- oder unzusammenhängend ist zu der Bewegung der Kolbens.

6. Maschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel aus dem Ende der zusammen mit dem Kolben mitrotierenden Achse der Maschine aus-ebi: det wird.

7. Maschine nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daf die Bewegungsübertragung mittels Kurvenfährung erfolgt.

8. Maschine nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß in Kolben zwei oder mehr Arbeitsräurae ausgebildet sind, deren Funktion zeitlich versetzt ist.

9. Maschine nach Anspruch 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß der Stempel oder die Stempel eine Hubbewegung ausführen, die entgegengesetzt ist zu der Bewegung des Kolbens.

10. Maschine nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Beweging des Kolbens mittels eines Getriebes erreicht wird, das aus zwei Gelenken und einer Kurbel besteht.

11. Maschine nacs Anspruch 1 bis 5 und 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Stempels mittels eines Getriebes erreicht wird, das aus zwei Cardangelenken und einer Kurbel besteht.

12. Kombinierte Maschine dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einheiten nach Anspruch 1 bis 11 in einer gemeinsamen Bohrung des Maschinenkörpers und/oder mehrere Bohrungen um eine gemeinsame Welle angebracht sind.