DE69024643T2 - Unsymmetrische freikolbenmaschine - Google Patents

Description

Technischer Bereich
• Die vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte Kombination aus im wesentlichen bekannten Elementen in Freikolbenmaschinen, wie etwa im US-Patent 3,524,436 des Erfinders dargestellt. Die neue Kombination ermöglicht durch Verwendung einer leichten und in ihren Abmessungen verringerten Zylinder-Stützkonstruktion eine Verringerung des Gesamtgewichts der Maschine gegenüber herkömmlichen Maschinen gleicher Leistung.
• Die in Anspruch 1 definierte Erfindung schafft eine kompakte Freikolbenmaschine des unsymmetrischen Typs mit einem Paar koaxialer Kolben in einem Zylinder und einer Bewegungs- Umkehrvorrichtung vor, die sowohl als Synchronisiereinrichtung wie auch als Antriebsvorrichtung für einen Energieverbraucher dient. Die Geschwindigkeit der Maschine ist wesentlich höher als sie bei herkömmlichen Maschinen erzielt wird. Dies ergibt ein kompakte Linearmaschine mit hohem Wirkungsgrad, was eine Anordnung des Antriebsmechanismus außerhalb des Maschinenzylinders und einen Antriebsmechanismus ermöglicht, der leichter und billiger ist und keine schwere Gehäusekonstruktion erfordert. Die Erfindung schafft ferner eine insgesamt leichtere Maschine, indem der Zylinder lediglich an einem Ende an einer Skelettkonstruktion lösbar gehalten ist, die auch den Zylinder bzw. eine Zylinderlaufbuchse beinhaltet, die geringerer Verformungsbeanspruchung ausgesetzt sind.
Zeichnungen
• Die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Dabei zeigt:
• Fig. 1 einen Vertikalschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
• Fig. 2 eine ähnliche Ansicht der Zylinder-Stützkonstruktion eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung;
• Fig. 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2;
• Fig. 4 eine weitere, für Horizontalinstallation geeignete Variante der Erfindung.
Beschreibung
• Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung weist eine leichte Stützeinrichtung bzw. ein leichtes Gehäuse 10, vorzugsweise des Skelettyps, auf, das derart auf der Basis B angebracht werden kann, daß seine Längsachse vertikal zur Basis B verläuft. Ein zum Gehäuse vorzugsweise koaxialer Zylinder 11 ist an seinem oberen Ende an einer oberen Stimwand lob des Gehäuses in geeigneter Weise aufgehängt.
• Ein erster und ein zweiter Kolben 12, 13 im Zylinder haben eine herkömmliche, dazwischenliegende Verbrennungskammer 14. Der Kolben 12 weist eine durch eine Führung 16 an einem Ende des Zylinders verlaufende Kolbenstange 15 auf, die an ihrem äußeren Ende ein Joch 17 trägt. Der Kolben 13 weist eine durch eine Führung bzw. Dichtung 19 am anderen Ende des Zylinders verlaufende Kolbenstange 17 auf, die eine Doppelzahnstange 20 und eine Kolbenstangenverlängerung 18a trägt, der seinerseits eine Führung bzw. Dichtung 21 am oberen Ende des Gehäuses durchsetzt.
• Ritzel 22 und 23 sind an festen Wellen 22a und 23a auf gegenüberliegenden Seiten der Doppelzahnstange 20 angebracht und kämmen mit gegenüberliegenden Seiten der Doppelzahnstange. Die Wellen können an (nicht dargestellten) Trägern ange bracht werden, die, ausgehend von der oberen Stimwand 10b des Zylinders, nach oben verlaufen. Ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten Zahnstangen 24 und 25 kämmen mit Ritzeln 22 bzw. 23 und sind durch ein Paar von Platten 26 (von denen eine dargestellt ist) mit den dazwischen angeordneten Ritzeln 22 und 23 starr verbunden. Zahnstangen 24 und 25 sind durch ein zwischen dem Zylinder und der Gehäusekonstruktion liegendes Paar von symmetrisch angeordneten Stangen 27 und 28 mit dem Joch 17 verbunden. In einem oberen Abschnitt loc des Gehäuses ist Öl eingeschlossen, das vorzugsweise durch eine nicht dargestellte externe Einrichtung von einer Ölwanne zu den Ritzeln und Zahnstangen und über die Ritzel und Zahnstangen gepumpt wird. Selbstverständlich könn te es sich bei dem Joch um einen Verdichter-, Spül- oder Aufschlagkolben handeln.
Arbeitsweise
• Wird die Maschine an einen Energieverbraucher, wie zum Beispiel einen Kompressor, angeschlossen, dessen Kölben ein solches Gewicht hat, daß es zusammen mit den Gewichten der angeschlossenen Elemente 18a, 20, 18 und 13 der Maschine gleich der Summe der Gewichte der sich in Gegenrichtung bewe genden Gewichte 24, 25, 26, 27, 28, 17, 15 und 12 ist, so arbeitet sie mit hohem Wirkungsgrad und im wesentlichen vibrationsfrei. Die Maschine wird durch eine geeignete herkömmliche Einrichtung gestartet, die in die Kammer 14 Kraftstoff und Luft einführt, 4en Kölben in Richtung der Zylindermitte bewegt und anschließend das Kraftstoff/Luft-Gemisch zündet. Ein Auseinanderbewegen der Kolben 12 und 13 bewirkt eine Zugspannung auf die Umkehrzahnstangen, so daß die Ritzel 22 und 23 angetrieben werden und die Doppelzahnstange 20 in die gleiche Richtung bewegen wie der Kolben 13.
• Die Varianten der Figuren 2 und 3 unterscheiden sich von der Fig. 1 dargestellten Maschine dadurch, daß sie den Zylinder und seine Stützkonstruktion genauer darstellen. In Abstand voneinander angeordnete Stangen bzw. Schrauben 110 sind in eine Basis 110a und an ihrem oberen Ende an eine Trägerplatte 110b geschraubt, so daß sie das Skelettgehäuse 10 von Fig. 1 ersetzen. Diese Konstruktion kann leichter, in der Herstellung billiger und geeigneter sein als die nach Fig. 1, da, falls erwünscht, um den Zylinder herum schalldämmendes Material verwendet werden kann. Die Schrauben lassen sich auch durch andere Strukturelemente mit der gleichen Funktion ersetzen.
• Die Funktionsweise der Variante nach den Figuren 2 und 3 ist die gleiche wie die der Variante nach Fig. 1. Die Stangen haben für die Zylinder die gleiche Stützfunktion wie das Gehäuse 10.
• Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist das gleiche wie das nach Fig. 1, abgesehen davon, daß ersteres an seiner Auflagebasis 310a horizontal angebracht werden kann und Antriebswellen 18a und 118a jeweils durch gegenüberliegende Enden des Gehäuses 310 verlaufen. Diese Anordnung ermöglicht es, daß die Antriebswelle an einem Ende beispielsweise einen Kompressorkolben einer ersten Stufe und einen Kompressorkolben einer dritten Stufe und die andere Antriebswelle gleichzeitig einen Kompressorkolben einer zweiten Stufe und einen Kompressorkolben einer vierten Stufe antreibt, und daß die verschiedenen Einheiten durch die Maschine angetrieben werden&sub1; die leicht zusammenzubauen und für die Wartung gut zugänglich bzw. leicht auseinanderzubauen ist.
• Hierbei ist die Funktionsweise der in Fig. 4 dargestellten Maschine wieder die gleiche wie die der in Fig. 1 dargestellten Maschine.
• Bei einer weiteren Variante sind beispielsweise mehrere Zylinder und Antriebseinrichtungen an einer einzigen Trägerkonstruktion mit einem gemeinsamen Gehäuse aufgehängt, wodurch eine Maschine entsteht, die wesentlich weniger kostet und wesentlich leichter und kleiner ist. Außerdem weist sie einen Satz Hilfs- und Zusatzeinrichtungen für alle Zylinder auf, so daß beispielsweise bei einer Sechszylinderversion einer derartigen Mehrzylindereinheit nur ein gemeinsames Kühlsystem und eine einzige Starteinrichtung anstelle von sechs einzelnen vorhanden sind. Ein offensichtlicher Vorteil einer mehrstufigen Zylindereinheit gegenüber einem kurbelgetriebenen Äquivalent besteht darin, daß bei der Mehrzylindermaschine des Kurbeltyps die ganze Maschine ausfällt, selbst wenn lediglich ein Zylinder defekt ist, wohingegen im Falle eines Ausfalls eines oder mehrerer Zylinder einer Mehrzylindereinheit der vorliegenden Erfindung alle verbleibenden Zylinder weiterhin voll verfügbar sind. Dieses Merkmal ermöglicht auch die Planung einer sequentiellen Wartung der einzelnen Zylinder, um die Verfügbarkeit einer derartigen Maschine auf praktisch 100% zu erhöhen.

Claims (10)

1. Unsymmetrische Freikolbenmaschine, umfassend: einen Zylinder (11; 111), eine den Zylinder tragende Stützeinrichtung (10; 110, 310), einen ersten und einen zweiten Kolben (12, 13) in dem Zylinder (11; 111) mit einer dazwischenliegenden Verbrennungskammer (14), wobei der erste Kolben (12) eine eine erste Stimwand- des Zylinders (11; 111) durchsetzende erste Stange (15) und der zweite Kolben (13) eine eine zweite Stimwand (10b, 110b) des Zylinders (11; 111) durchsetzende und jenseits dieser mit einer Doppelzahnstange (20) versehene zweite Stange (18) aufweist, ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten Ritzeln (22, 23), die jeweils mit einer Seite der Doppelzahnstange (20) kämmen, ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten und starr miteinander verbundenen Zahnstangen (24, 25), die jeweils mit einern der Ritzel (22, 23) kämmen, eine von einer der beiden Stangen (15, 18) ausgehende Abtriebsachse (18a) zum Antrieb eines Energieverbrauchers, sowie eine seitlich längs des Zylinders (11; 111) angeordnete Antriebseinrichtung (27, 28), die von den Zahnstangen (24, 25) zu der Kolbenstange (15) jenseits des entgegengesetzten Zylinderendes verlaufen, so daß die Kolben (12, 13) bei ihrer Auseinanderbewegung auf die Abtriebsachse (18a) Kräfte in der gleichen Richtung ausüben, wobei die Ritzel (22, 23) auf Achsen (22a, 23a) gelagert sind, die an mit der zweiten Stimwand (10b; 110b) des Zylinders (11; 111) verbundenen Trägern starr befestigt sind, und wobei der Zylinder nur an der besagten zweiten Stimwand (10b; 110b) mit der Stützeinrichtung (10; 110; 310) abnehmbar verbunden ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Abtriebsachse (18a) eine Verlängerung der zweiten Stange (18) jenseits der Doppelzahnstange (20) ist.

3. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinrichtung (27, 28) bezüglich der Achsen der ersten und der zweiten Stange (15, 18) symmetrisch ist.

4. Maschine nach Anspruch 1, wobei die gesamte Masse eines der Kolben (12) und der mit diesem verbundenen und sich mit ihm bewegenden Bauteile gleich ist der Gesamtmasse der Abtriebsachse (18a), des anderen Kolbens (13) und der anderen mit diesem verbundenen Elemente weniger der Masse des Energieverbrauchers.

5. Maschine nach Anspruch 2, wobei eine zweite Abtriebsachse (118a) von der ersten Stange (15) jenseits eines diese mit der Antriebseinrichtung (27, 28) verbindenden Jochs (17) ausgeht.

6. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Längsachsen des Zylinders (11; 111) und der Stützeinrichtung (10; 110; 310) im wesentlichen koaxial sind.

7. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Stützeinrichtung (10; 110; 310) den Zylinder (11; 111) mindestens teilweise umgibt und eine die zweite Zylinderstimwand bildende Wand (10b; 110b) aufweist.

8. Maschine nach Anspruch 7, wobei die Wand (10b; 110b) mehrere Zylinder, Kolben und Antriebseinrichtungen trägt.

9. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Stützeinrichtung die Form eines Gehäusegerippes (10) aufweist.

10. Maschine nach Anspruch 1, wobei die Stützeinrichtung mehrere in Abstand voneinander um den Zylinder (111) herum angeordnete Bauteile (110) aufweist.