DE2931377A1

DE2931377A1 - Kolbentriebwerk mit achsparallelen zylindern als taumelscheibentrieb

Info

Publication number: DE2931377A1
Application number: DE19792931377
Authority: DE
Inventors: Mathias Prof Dipl Ing Ott
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-08-02
Filing date: 1979-08-02
Publication date: 1981-02-26

Description

Kolbentriebwerk mit achsparallelen Zylindern als Taumeischeibentrieb
Kolbentriebwerke mit achsparalellen Zylindern in Verbindung mit einem Taumelsoheibentrieb ermäglichen eine Raum- und Gewichtsparende Bauweise.
Bei Verbrennungsmaschinen bedeutet~dies ein hohesleistungsgewicht: PS/cm3 bzw. PS/Kg, JiJ,j2J,f3f,f4J. Die bei ausgeführten Maschine benutzten Pleuel erhöhen den Raum-,Gewichtsbedarf wieder und den allgemeinen Aufwand. Die gedrängte Bauweise der Fig. t mit Doppelkolben K bringt erst die Konzentration der Leistung bei geringer Teilezahl. Schwierigkeiten entstehen bei der Lagerung der Taumelscheibenarme im Doppelkolben. Denn es sind 6 Freiheitsgrade der Bewegung bei groBen Kräften zu beherrschen. Gleichzeitig müssen das Motorabtriebsmoment als Reaktions-Umfangskraft von den Lagern aufgenommen werden. Die vorgeschlagenen beweglichen Federn in Umfangsrichtung der Lager sind zu kompliziert, führen zu Schwingungen und benötigen zusätzlichen Montageteile. Solche sind im Motorinnern zu vermeiden.
Im Zuge der Energieeinsparung wurden Lösungen vorgeschlagen oder sind in der Erprobung, wobei von 6 Zylindern drei, z.B. im Stadtverkehr "abgeschaltet" werden können. Die Abgase der drei Betriebszylinder werden dabei in die drei abgeschalteten Zylinderräume geleitet bevor sie ins Freie austreten. Ein geringer Energierückgewinn aus den Abgasen ist die Folge.
Ein Flteres Prinzip wurde bei den Junkers Dieselmotoren für Fahrzeuge angewendet. Ein gegenläufiger, mit Pleuelstangen geführter zweistufiger Kolben dient zur Aufladung des Dieselmotors. Die Aufladung bringt beim Diesel 20N -304h Leistungserhöhung. Die Konstruktion benötigt Schlitzgesteuerte Ein-/Auslaßkanäle und ist schwer wegen der vielen Pleuel lJ,S.287.
Weiterhin besteht z.B. bei Wärmepumpen ein Bedarf an gedrängt bauenden, preisgünstigen Kompressoren. Deren ölräume, d.s. Lager müssen vom agressiven Fördermedium absolut dicht sein. Auch eine Kombination eines Verbrennungsmotors mit einem Verdichter ist erwünscht. Damit läBt sich ein Teil der Kühlwasserdes Verbrennungsmotors rückgewinnen, wenn z.B. das Kältemittel einer Wärmepumpe vom Kühlwasser zusätzlich in der Kompressionsphase aufgeheizt wird.
Die Motorkühlung selbst wird wirksamer, Evtl. kann ein Luft:Wasserkühler überhaupt fehlen.
Durch die Erhöhung der Verdrängervolumina der achsparallelen Zylinderanordnung sollten sich alle die genannten Aufgaben in einer Maschine als Verbrennungsmotor, Abgasverdichter, Wärmepumpe mit Motorkühlung usw. konzentrieren lassen. Das gilt besonders bei- gegenläufigen Doppelkolben mit zwei Taumeitrieben (Fig. e ). Die ungewöhnlich hoheiVerdichtungsverhEltnisse im Mittelteil legen eine Anwendung als Dieselmotor nahe. Auch eine wirksame schlitzgesteuerte Maschine im Ittelteil wird möglich, vergl./1/ S. 287: Zweitakt-Diesel mit Gegenkolben.
der Ein-/Auslaßventile Die Rechnersteuerung durch Elektrohydraulische Servoventile /71 läßt sich vereinfachen, wenn man geeignete rotierende Steuerschieber anwendet.
Literatur I)JHetnze. E.P.X.: Du und der Motor, Ullstein-Deutscher Verlag, Berlin, 1960.
[2]Bensinger, W.D.: Die Steuerung des Gaswechsels in schnellaufenden Verbrennungsmotoren, S.93f.: Bristol-Taumelscheibenmotoren. Spriner Verlag, Berlin. 1968.
[3]Olt, M.: Selbsteinstellende hydrostatische Kolbenlagerungen mit Anwendung auf Rotationskolbenmaschinen. Bild 4. S.552. technica Nr.7.
*1970 S.551-556* Birkhluser Verlag, Basel, 1970.
per Motor. der wie ein Revolver aussieht, ADAC-Molorwelt 8/76, S. 15.
und VDI-Nachrichten Nr.45, 8.Nov. 1974, S.7, Mitt. aus der TH Aachen.
rijo«0, Horst: Axialkolbenmaschine mit mechanischer Ventilsteuerung, Abschlussarbeiten 1976.
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[7] Kranz. H.: Abschicd von dcr Nockenwelle?, Hobby, Das Magazin der Technik, S.83-86, EHAPA Verlag. Stuttgart, 1978.
[8]Ott. M.: Mengenregelung bei Axial- oder Radialkolbenpumpen mit Taumelscheiben- oder Nockenantrieb, Olhydraulik & Pneumatik 10, 1966, Nr. 1, S. 15-18, K. Krasskopf Verlag, Mainz, 1966.
Diese Ausgaben bzw. Schwierigkeiten lösen die Ausführungen und Einzelheiten der Fig. 1 mit 11 . Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Lagerung der Taumelscheibenarme (1 ) mit Hilfe einer Kugel (2 ), (3 ) im Doppelkolben. Sie erfüllt drei geforderte Freiheitsgrade der Drehung zum Doppelkolben, Anspruch 1.
In den geteilten bzw. gschlitzten Kugelhfilften (Montage !) gleitet der Taumelscheibenlagerarm (1 t. Damit werden weitere drei lineare Bewegungen des Taumelscheiben-Balkenlagers gegenüber den Kugelsegmenten (2 ), t3 ) möglich.
Sowohl die große Kugeloberfläche zum Doppelkolben als auch deren große Planflächen zum Taumellager-Arm lassen große Kolbenkräfte zu. Dies ist z*B. bei Dieselbetrieb und bei höherer Verdichtung in den Verbrennungsräumen (6 , t höti Besondere Montageteile fehlen, da sich die beiden Kugelsegmente in den Kolben einlegen lassen. Die großen Lagerflächen lassen auch eine hydrostatische Lagerentlasteung bzw. eine wirksame Schmierung durch Drucköltaschen ( 8 , 9 ) zu. Die Druckölkanäle (O, ) führen zentral durch die Abtriebswelle (11) und radial durch die Taumelscheibenarrn -Lager. Reibungsverluste verringern sich. Die Druckschmierung vermeidet Spiele in den Lagern und dämpft Geräusche.
Eine verbesserte Wärmeableitung ergeben die Doppelkolben, insbes. bei einseitigem Verbrennungsbetrieb der Kolben, siehe unten.
Die schwierige Aufnahme der Reaktionsmomente in Umfangsrichtung geschieht durch die seitliche Begrenzung eines Taumelscheibenarmes zur Kugel, Anspruch 3. Zweckmäßig ist die Ausführung dieses Lagers als Bohrung in den Kugelhälften (2 ,3 ) in dem das zylindrische Taumelscheibenlager gleitet, Anspruch 4. Wegen der rel. groRen Kolbenlängen bleiben die Kolbenseitenl4PressunSn relativ gering. Wird die taumelscheibe ( 1) gesondert im Statorgehäusels achsparallel ähnlich der Fig. 2 geführt, so ist eine Kolbenseitenkraft (in Drehmomentenrichtung) überhaupt vermieden, Ansprung 5. Die Abnutzung des einen, die Kolbenseitenkräfte aufnehmenden Kolbens ist verringert.
Eine andere Möglichkeit die Taumelscheibe am Mitdrehen zu hindern zeigt die Fig. 3. Die Abtriebswelle 18 wird jetzt mit der Taumelsvcheibe l9 mit Hilfe eines Kegeltriebes 20 synchronisiert. Das Prinzip wurde bei /2/ angewendet, jedoch auf einen Taumeltrieb mit Pleuel und aufwendiger Lagerung.
Der Synohronisiertrieb hat den Vorteil, daß alle Kolben jetzt gleichmäßig seitlich zur Zylinderwand belastet werden bei gleichmäßiger Abnutzung. Die Steglager 1 oszillieren bei allen Kolben um einen gleichen Winkelbetrag nach Links und Rechts in Umfangsrichtung.(Anspruch 6).
Die achsparallelen Zylinder bzw. Kolben lassen sich auch doppelt anordnen (Anspruch 9) mit zwei symetrischen Taumelscheiben 23, 24. Die von den Kolben 22, 23 eingeschlossenen eingeschlossenen Verdrängerräume 25 weisen ein extrem hohes Verdichtungsverhältnis auf, ohne daß die Taumelscheibenhübe bzw. deren Neigungen B° groß zu werden brauchen.Dadurch kann eine ungeteilte Kurbelwelle 18 , Fig. 3,verwendet werden. Der Raum 2@ 29FläBt sich als Diesel-Verbrennungsraum nutzen (Anspruch « . Bei /1/,S. 287 wurde ein schlitzgesteuerter gegenläufiger Kolben mit Schlitzgesteuerten Ein- und AuslaRschlitzen 4 , As angewendet. Heute wäre eine Ventilsteuerung für Ein-/ Auslaß 26, 27 zweckmäßig (Anspruch @@).
Das günstigste Leistungsgewicht [PS/Kg Gewicht] und [PS/Volumen] erreicht man bei Nutzung aller Verdrängerräume (6, 7), Fig. 1 und(25,28, 29), Fig. 4.
Die 5 Doppelkolben wirken dabei als 10 Zylinder bzw. 15 Zylindermaschine.
Das ermoglicht, einen Teil der Verdrängerräume für anderen Zwecke (Verdichter, Abgas-Expansionsraum) zu nutzen und mit verminderter Leistung bzw. geringerem Verbrauch zu fahren, siehe unten.
Die Steuerung der Ein- und Auslaßventile (E . ,A ), Fig. l,kann von einer zentralen Nockenwelle (323 aus erfolgen, die mit halber Motordrehzahl nm/2 angetrieben ist.(Anspruch 43. Dabei lassen sich die Ventilteller (33) direkt, d.h. ohne Umlenkhebel und Teileaufwand von schrägen Ventilsteuernocken betreiben. Im Gegensatz zu herkömmlichen Nockenwellensteuerungen der Reihenmotore benötigt auch nicht jedes Ventil seinen eigenen Nocken. Durch die erfindungsgemäße Versetzung mehrer Ventile am Umfang eines Nockens, entsprechend ihrer Öffnungs- bzw. Schließzeiten bzw. -Winkel spart man eine Anzahl Steuernocken ein, Fig. 1, Anspruch 2.
Im sparasamen Fahrbetrieb, z.B. bei Kolonenfahrt, im Stadtverkehr usw. wird nicht die volle Motorleistung benötigt. Nach einem Gedanken der Erfindung wird ein Teil der Verbrennungsräume abgeschaltet, (Anspruch <$. Die Brennstoffzufuhr , evtl. auch die Zündung wird zu diesen abgeschalteten Verbrennungsräumen unterbrochen. Zweckmäßig ist es, eine Seite der Doppelkolben abzuschalten, um WärmeSpannUngen im Kühlgehäuse zu vermeiden. Zweckmäßig ist es auch, die Ein- und Auslaßventile der abgeschalteten Kolbenräume geöffnet zu halten. Das kann nach der Fig. (5fl63 durch einen andruck geschehen, dessen Weg zu den Ventilschaft-Zylinderräumen (3,5', 37) freigegeben wird. Dadurch sind Kompressionsverluste der angesaugten und anschließend verdichteten Luft vermieden.
Man kann aber auch die Ventilsteuerung des 4-Takt-Verbrsnnungszyklus unverändert beibehalten. Erfindungsgemäß wird dann die angesaugte, Verdichtete und ausgeschobene Frischluft der abgeschalteten Verbrennungsräume den Ansaugkanälen bzw. -Ventilen der Verbrennungszylinder zugeführt. Damit erhöht sich deren Leistung infolge der erhöhten Zylinderfüllung, vergl. auch

Turbol/grD// jX

(Anspruch 739. Durch die Verdichtung der Frischluft ohne Verbrennung im 4-Taktverfahren entstehen Wärmeverluste. Diese vermeidet man, wenn eine Anzahl Kolben überhaupt als Verdichter arbeiten und dementsprechend ausgelegt sind, (Anspruch 1+). So erhalten die Kompressorräume ungesteuerte Ein- und Auslaßventile (37, 38), z.B. Kugelventile, Membranventile oder ähnliches.
Einem 4-Taktzyklus mit 2 Kurbelwellendrehungen entsprechen dabei Hübe mit der doppelten Kolbenfüllung. Das bedeutet einen hohen Luftdurchsatz bzw. große Fördermengen des Verdichtermediums, siehe unten. Das Kompressormedium wird sowohl von der zugehörigen Kolbenhälft/die als Verbrennungsmotor wirkt, als auch dem umgebenden Kolbengehäuse aufgeheizt.
Die Kompressordruckluft kann man nach einem Erfindungsgedanken , wenigstens teilweise den Ansaugkanälen (39, tfo) bzw. Ansaugventilen (40) der Verbrennungskolben () zuführen. Dadurch läßt sich die Motorleistung steuern. Diese Art der Aufladung zur Leistungssteigerung wird vor allem bei Dieselmotoren mit Abgastubolader angewendet, vergl. "Junkers Gegqnkolbenverdichter im Fahrzeugdiesel t/J.
Eine Verbrauchsverminderung an Brennstoff erreicht man auch durch die zusätzliche Nutzung der Verbrennungsabgase, vergl Abgas-Turbolader. Die verbrannten Abgase können in einen Teil der hierfür vorgesehenen Entspannungszylinder geleitet werden, um sich dort weiter zu entspannen( Anspruch /9). Das Umschalten der Verbrennungskolben auf Abgasbetrieb und umgekehrt kann ein gesteuertes Ventil0tJbesorgen, welches die Einlaßventile mit den Verbrennungs-Auslaßventilen verbindet. Ein erneutes Komprimieren der verbrannten Abgase im 4-Takt-Verbrennungsbetrieb sollte vermieden werden. Dazu müssten die Ein- und Auslaßventile der Entspannungszylinderräume von 4-Takt-auf Zweitaktsteuerung umgeschaltet werden können,tAnspruch 18). Dabei kann ein"Abgas-ArbeitskolbenS pro 4-Taktzyklus ( 8 2 Umdrehungen der Kurbelwelle) zwei Arbeithube ausführen (Anspruch Damit bleibt auch genügend Verdrängerraum der restlichen Doppelkolben einer -ein6r,Seite, Fig. , 3 , +, die nicht als Verbrennungsräume genutzt sind.
Ein Teil von ihnen kann somit auch als Ansaugluftverdichter der Verbrennungs kolbenräume bzw. deren Einlaßventiler'wirken,(Anspruch 9 ). Eine zweckmäßige 46, Ventilsteuerung wird durch hydraulische Ventilstößel 48 nach der Fig. 6 erreicht, welche über ein besonderes Drehschiebervent 49 die Ventilöffnungs und -SchlieBzeitpunkte beliebig steuern kann, (Anspruch 16).
Zweckmäßig wäre aber auch, einen Teil der Verdrängerräume von vorneherein für den wZweitakt-Abgasbetrieb " vorzusehen und die mechanische Ventilsteuerung entsprechend auszulegen.
Nach einem weiteren Erfindungsgedanken sind die Doppelkolben ( nach der Fig. ( 3 ) abgestuft ausgeführt (Anspruch »). Diese großen "Doppelkolben" lassen sich als leistungsfähiger Verdichter und - oder als Abgas-Entspannungs kolbenraum der Verbrennungsgase nutzen (Ansprüche 21 ). Ein Teil der verdichteten Frischluft kann teilweise wierder den Einlaßkanälen (44) der Verbrennungskolben zugeführt werden. Damit nutzt man die Möglichkeiten der achsparallelen Zylinder mit Taumeltrieb mehrfach, wie ender Abgasturbolader tut. Nur ist hier der "Turbolader" als Abgaskolbentrieb im Verbrennungsmotorgehäuse und -Tr#ebwerk integreiert, sodaß keine besonderen Lager, Gehäuse usw. nötig sind. Die angesaugte Frischluft der großen Zylinder wird durch die heißen Kolbenwände und Kolbenboden bereits vorgewärmt. Das bedeutet eine bessere Nutzung der KühlwArme des Verbrennungsmotors. Außerdem werden die Verbrennungskolben stärker gekühlt. Dies gilt insbes. , wenn die großen Verdrängerkolbenräume abwechselnd als Abgas-Entspannungsräume mittels eines gesteuerten Umschaltventiles (45), Fig. (3 ) und als Frischluft-Ansaugköpressor dienen (Anspruch Z),- vergl. unten: Wärmepumpe. Für die großen Verdränger-Doppelkolben lassen sich Dichtungen verwenden, die dem zu verdichtendem Medium (Luft, Flüssiges Kältemittel und dergl.) angepasst sind.
Auch die Zylinderräume können mit entsprechenden Werkstoffbuchsenmaterial und geeignten Toleranzen von KM ben/Bohrung versehen werden. Insbesondere können Membrandichtüngen-(Fig. 3) zur absoluten Abdichtung der Komprsssorräume Anwendung finden.
Nach weiteren Erfindungsgedanken wird es möglich, die Verbrennungsmotor/ Kompressormaschine als Wrmepumpenanlage zu betreiben, Ansprüche ( biS ).
Das hat u.A. den Vorteil, daB sich die Kühlwasserwärme des Verbrennungsmotors besser nutzen läBt. Ober 50% der Verbrennungsmotorwärme gehen ins Kühlwasser bei der Hotorkühlung verloren.
Die grundsätzliche Arbeitsweise eine Wärmepumpenanlage für Warmwasserheizung z.B. zeigt die Fig. 7: Im Verdampfer 72 verdampft das Kältemittel bei der Temperatur To und entzieht die erforderliche Verdampfungswärme QO der Umgebung, z.B. der Außenluft, die von einem Gebläse dem Verdampfer 72 zugeführt wird. Der Verdampfer der Fig. 7 wird auch als Auaenluft-Kältemittel-Wärmetauscher und bei Wärmepumpen, die dem Erdreich die erforderliche Wärme entziehen, als Erdreich-Wärmetauscher usw. bezeichnet.
Der Verdichter 73 saugt die Kältemitteldämpfe beim Druck pO an und verdichtet sie auf den Druck p. Im Kondensator 75 verflüssigen sich die Kältemitteldämpfe bei der Temperatur T und geben dabei die Wärme q an das Wärmeverteilungssystem ab. Der Koniensator 75 ist seiner Aufgabe entsprechend ein Wärmetauscher, der bei Wärmepumpen, die im Ein-Aus-Verfahren (Zwei-Drei-Punktregelung) gesteuert werden, meist ein gewisseses Speichervolumen hat, um als Pufferspeicher den stoBweisen Wärmeanfall in eine kontinuierliche Wärmeabgabe umzuformen. Das Wärmeverteilungssystem 76 ist in der Regel eine Warmwasser-Fußboden-, Warmwasserkonvektoren-, Warmwasser-Radiatoren- oder Warmluftheizung. Uber das thermisch gesteuerte Expansionsventil 74 strömt das flüssige Kältemittel vom Kondensator zurück zum Verdampfer , um den Kreislauf von neuem zu beginnen. Die Temperaturen T und T ergeben sich bei den 0 Drücken pO und p aus der zugehörigen Dampfdruckkurve f ..... @ @, Bild 5 Für die hohen Druckverhältnisse werden auch zwei- und Mehrstufige Verdichter nötig r 1,S.32/33. Nach der Fig. 8 sind z.B. zwei Verdichter als Stufe und Stufe (Hoch- und Niederdruck: HD-, ND-) . Die ND-Stufe fördert mit hohem Volumen 61 in die zweite HD-Kolbenstufe 60 geringeren Volumens, der das Kältemittel weiter verdichtet und imR ondensator 68, 64 zu fördern. Zwischen ND- und HD-Verdichtung wird die Überhitzungswärme der erSten Stufe in einem Zwischenwärmetauscher 62 z.B. zur HeiBwasserbenutzung genutzt. Solche Wärme-Kompressorpumpen werden bis ca. 40 KW gebaut.
Um"ölfreie Verdichterwzu erhalten, wird der eigentliche Verdichterkolben von Seitenkräften entlastst f /, S. 31, Bilder 24,25, um die Kunststoffdichtungen (Kolbenringe etc.) nicht zu beschädigen. Die zusätzliche Kolbenstangenlagerung mit Kreuzkopfführungen bauen sehr groß und verteuern den Kompressor. Die Ölräume der Lagerungen usw. sind möglichst vom Kältemittel zu trennen, da sonst die Lager angegriffen werden, das Ö1 verdünnt wird (Fig. 9, 10) Die große Zahl (z.B. 10 bis 15) der achsparallelen Kolben legt folgende Kombinationen innerhalb eines Gehaüseblocks nahe: Verbrennungsmotor mit Kompressor, Ein oder Mehrstufiger Art (Anspruch 2 3 ), Verbrennungsmotor mit Kompressor und Warmwasser-Umlaufpumpe, z.B. einiger Kolben,(Anspruch 2 ).
Die Kolbenmaschine mit achparallelen Zylindern läßt sich auch als Verdichter wasser-Umlaufpumpe bzw. Warmluft-Kreislaufpumpe benutzen.
Ansprüche ( , , ).
Gleichzeitig kann ein Teil der Kompressorluft als Gebläse für den Verdampfer 72 der Fig. 7 dienen, Anspruch ( Die Zwischen den Kolben liegenden Vsrdichtungsräume 25 der Fig. 4 mit zwei Taumeischeiben 23, 24 eignen sich erfindungsgemäß als Wärmepumpe hoher Verdichtungsverhältnisse (Anspruch 26). Damit erreicht man bereits mit einer Stu-Te hohe Verdichtungsverhältnisse, wie sonst nur mit zwei Stufen 60, 61 der Fig 8. Ein oder mehrere Verdichtungsräume 28. 29 , Fig. 4 können daneben als Niederdruckstufe ND (61, Fig. 8) dienen.
Zweckmäßig ist auch eine Kombination von Dieselverbrennungsräumen 25 mit einem Kompressor vorwiegend für ein Kältemittel. Die Dieselräume werden gut gekühlt. Auch eine Kombination: Diesel-Verbrenungsraum 25 ? Hochdruckverdichter 25(am Umfang abwechselnd) mit Niederdruckverdichter 29 , 28 , Fig. 4 annalog 61, 60 der Fig. 8 ist denkbar. Dabei läßt sich die zwischen ND- und HD-Stufe 28 und 29 Entsprechend 60 , 61, Fig. 8 ein Zwischen-Wärmetauscher 62 einfügen,(Anspruch 27). Das Mittel der 1. Stufe ND ist im Volumen verkleinert. Daher ist es auch zweckmäßig, mindestens zwei NO-Stufen auf eine HD- Stufe 60 z,B. nach Fig. 8 , 28 nach Fig. 4, nach Fig.
zu schalten.
Der abgestufte Kolbenk ompressor 60, 61 ,,, der Fig. 8 wird zweckm0ßig als ND- und HD- Verdichter einer Wärmepumpe verwendet (Anspruch 23 ). Dabei kann noch eine weitere Anzahl Einstufiger Kolben am Umfang mit den zweistufigen abwechseln und z.B. als Verbrennungsräume wirken,(Anspruch t.
Auch eine Wärmwasser-Umwälzpumpe 77 (Fig. 7) könnte erfindungdgemäß in der Kolbenmaschine integriert ssin, um Kosten einer getrennten Pumpe 77 zu sparen.
Ein oder mehrere Kolbenrdome sind dabei als Warmwasserpumpe ausgelegt (Anspruch ) Das hat auch den Vorteil, daß ein Teil der Kühlwe6cerwärme der restlichen Zylinderräume (Kompressor oder Verbrennung) unmittelbar ins Warmwasser übergeht.
Auch die Kühlwasser-Wärme des Verbrennungsmotors läßt als Warmwasser - Heizung nutzen. Dabei wälzt die Pumpe 77, Fig. 7 das Motorkühlwasser 50, Fig. 3 im Kreislauf des Wärmeverteilungssystems 76 um (Anspruch 30).
Der Kondensator 75 der Fig. 7 gibt di-e Sompbessionswärme des Verdichters 73 ebenfalls an das Wärmeverteilungssystem 76 ab. Der Vorwärmer 78 heizt das verdampfende Kältemittel zusätzlich auf. Das geschieht bei den Tauch- und Hubkolbene verdichtern z.T. duch Kühlung der Kolbenverdichter vom angesaugten KäMtmittel, Fig. . Diese Wirkung erreicht man bei einer Kombination Verbrennungszylinder mit Kältemittelkompressorzylinder (Fig. 3, 4, 8... ) dadurch, daß das Kältemittel 51 seine Wärme mit dem Kühlwasser 50 des Motors austauscht bzw. durch einen geeigneten Wärmetauscher austauscht, Fig. 3 (Anspruch ). Der Verbrennungsmotor wird effektiver gekühlt. Der Luft/Wasserkühler kann stark verkleinert bzw.
vollständig fehlen. Das gilt besonders, wenn das Verbrennungsmotor-Kühlwasser als Wärmeverteilungssystem benutzt wird.
Die Kolbenmaschine mit achsparallelel Zylindern kann läßt sich auch als 1 oder mehrstufiger Kompressor, vorzugsweise für ein Kältemittel 73, Fig. 7, Wärmeverteilerpumpe 77 , z.B. für Heißwasser, Warmluft , als Gebläse für einen Verdampfer 72 Fig 7) wirken. Er wird dann angetrieben von einem E-Motor oder einem Verbrennungsmotor. Die Inteation der Maschinen in einem Gehäuse mit einem Rotorlager usw. ermöglicht eine gedrängte' Bauweise.
Als Folge der verringerten Flächenpressung zwischen den Kugel-Lagerungen 1, 2, 3 (Fig. 1) werden für die Kugelelemente 2 , 3 abriebfeste, korrosionsbeständige Kunststoffe geringer Reibung anwenden (Anspruch 33 ). Schmierung der Lager entfällt.
Zur Steuerung der Ein- und Auslaßventile v ist nach der Fig. 2 ebenfalls ein Taumelscheibentrieb 13 verwendet (Anspruch 34). Die Scheibe 13 ist achsparallel bei 14 im Statorgehäuse geführt. Diese Führung 14 übernimmt zweckmäßig eine der Ventilführungen 15. Eine phasenrichtige Ventilbewegung erreicht man durch Umlenkhebel 16. Der Ventiltrieb vermeidet lange Ventilschäfte (Massen !), Umlenkhebel-Massen. Die Reibung der Ventile ist verringert wegen der rel. geringen Bewegungen zwischen der Taumelscheibe 14 und den Scheibenlagern 15.
Eine hydraulische Ventilsteuerung weist Hydroservokolben 82 der Ein- und Auslaßventile E.. und A... auf, Fig. 6. Zur Betätigung, d.i. Öffnen und Schließen vier depY~entile (EÖ)1 4 (ES)1 4 und (A)1 4 (AS)1 4 dient erfindungsgemäR eine von der Motorwelle synchron angetriebene Drehschieberanordnung (83, 84, 85) --Fig. 6 bzw. (93, 94, 95 ), Fig. 10, bzw. (103, 104, 105) , Fig. 11 (Ansprung 35). Während einer Drehung der Schieberwelle 85 bzw. 95 bzw. 105 steuern die Schieber 83, 84 bzw. 93,94 bzw. 103, 104 alle Zu- und Abflüße (P, T)1...4 aller vier Zylinder 1...4(Anspruch 3Q). Zweckmäßigerweise läßt man einen Schieber 84 und bzw. 93 und 94 bzw. 103 und 104 get@ennt die Öffnungs-und Schließzeitpunkte (EO, ES)1 4 und (ALl, AS)1...4 der Ein- und Auslaßventile E und A steuern (Anspruch 33).
Durch eine zusätzliche, rechnergesteuerte axiale Bewegung der Schieber 83, 84 bzw. 93, 94 bzw. 103, 104 (Fig. 6, 10, 11) werden die Ventilöffungs-und -Schließzeiten rechnerabhängig gesteuert (Ansprung 369. Der Rechner nimmt die SteuergröBen: Motordrehzahl, -Temperatur, Gasstellung (Leistungsbedarf) usw. auf verarbeitet (verknüpft) sie und gibt Ventilsteuersignale als Druck P z.B. über ein sluktrohydraulisches Servoventil an die Steuerdrehschieber 83, 84, bzw. 93, 94 (Fig. 6, 10) aus.
Die rotierende Schieberanordnungrnur eEn teueres Servoventil , während bei der Ausfahrung nach /7/ für jedes E-,A-Ventil ein Servoventil benutzt wurde. Das Servoventil muß die Drehschieber 83, 84 bzw. 93, 94 viermal pro Steuerwellendrehung 85 bzw 95 (Fig. 6, 10) Hin und Herbewegen. Die hohe Frequenz, z.B. von 800 Hz verlangt ein schnelles Servoventil. Diesen Nachteil vermeidet eine analoge Ansteuerung bzw. stetige Axialbewegung der rotierenden Steuerschieber 103, 104 der Fig. 11. Jeden Schieber steuert ein Schrittmotor SM11 SMZ.als Analog/Digitalwandler der digitalen Rechnersignale(Ansprüche 39, 40). DieSteuerkurven P1, T1 und P2, T2 der Drehschieber 103, 104 steuern die Zu- und Abflußzeitpunkte (Öffnen und Schließen) der Ein- und Auslaßventile E1...4 und A1 4. Diese analoge Lösung vermeidet größere Ansteuerleistungen der Schieberbetatigung.
Zur Betätigung der Ein- und Auslaßventile genügen einfachwirkende Hydrozylinder 82@(Fig. 6) mit einer Zu-,AbfluBleitung P,T.
Die Fig. 1 mit 6 und Fig. 10 mit 12 zeigen Ausführungsbeispiele und Einzelheiten der Erfindung, die Fig. 7,9slO,Il dienen der Erläuterung von Erfindungsgedanken.
Fig. 1 zeigt ein Doppelkolbentriebwerk mit achsparallelen Zylindern 4, Lagerung der Taumelscheibe 10 , 1 in Kugelsegmenten 2, 3 des Kolbens, Ventilsteuerung mit zenztalen Schrägnocken 32 Fig. 2 stellt einen Taumelscheiben-Ventilantrieb mit Rollenführung 15 und Umlenkhebel 16 vor.
Fig. 3 zeigt eine Synchronisierung der Abtriebswelle 18 zur Taumelscheibe 19 mittels Kegeltrieb 20, einen Steuerschieber 41 zur Umleitung der Verbrennungsabgase in einen Ansaugkanal 44, einen Kolben 43 als Kompressor mit Saug- und Druckvebtilen 38, 37, einen Steuerschieber 45 zum wahlweisen Umleiten von Frischluft auf Abgase 37 zum Kompressor-Raum 43.
Fig. 4 eine Ausführung mit zwei Taumeitrieben 23, 24 mit gegenluäfigen achsparallelen Doppelkolben 22, 23, Verbrennungs- bzw. Kornpressionsräume 25, 28, 29.
Fig. 5 L hydraulische Ventilschaft-Kolben 35 zum Abschalten von Verbrennungsräumen durch offenen der E-,A-Ventile.
Fig. 6 : zeigt einen hydraulischen Ventilantrieb 82 (P,T) mit synchron zur Motorwelle angetriebenen Steuerschiebern 83, 84.
Fig. 7 : erläutert die Arbeitweise ender Wärmepumpenanlage mit : 72 : Verdampfer, 73 als Verdichter, 7t (Expansio svebtil), 75 (Kondensator), 76 (Raumheizung), 77 (Umwälzpumpe), 8 (Vorwärmtrt, Fig. 8 : eine Anwendung des Taumelsc eibentriebes als zweistufiger Verdichter 60, 61 in einer zweistufigen Wärmepumpe mit Zwischenkühlung 62, 60, 61 als Hoch- und Niederdruckverdichterkolben, 62 (Abgabe der Überhitzungswärme der ND-Stufe an das Raumheizungswasser) 63 (Abgeben der Unterkühlungswärme der HD-Stufe 60 an das Heizungswasser), 64 (Kondensator), 65 (Expansionsventil), 66 (Verdampfer des Kältemittels), 67 tHeizungswasser-Rücklauf), 68 (Heizungswasser-Vorlauf), 70, 71 ( Wärmeträger-Zu- und -Abfluß).
Fi. 9 : Kräfteparalelleogramm am herkömmlichen Kurbeltrieb mit Kolbenseitenkräften Fw , Fig. 10 : ölfreier Verdichter mit Kreuzkopfführung 79, Fig. 11 : Prinzip des Kolbentriebwerkes mit achsparallelen Zylindern und Taumeltrieb mit 4 Freiheitsgraden des Kolbengelenks 80 (f=4) und vorgeschlagener seitlicher Federung, Fig. 12 : als pulsgesteuerte Drehschieber 93, 94 , Antriebswelle 95, für 4 Ein- und Auslaßventile (E.., A...): Ö: Öffnen, S: Schließen, 93,94: axial bewegliche Dreh-Steuerschieber, P1, P2 als Druckzufluß vom elektrohydraulischen Servo"entil des Rechners, T als Niederdruck-RückfluB von den Ventilen (82, Fig. 6 z.B.)j Fig. 13 : als analoge (stetige) Drehschiebersteuerung (103, 104 mit Steuerkurven /P, T/1,2 für Hoch-, Niederdruck nach 82, Fig. C), getrennte Ein- und Auslaßsteuerung E1...4, A1...4 von 4 x 2 Ventilen, Ö: Öffnen, S: Schließen, SM1, SM2 als Schrittmotorantriebe vom Rechner, LOS als Schieberantrieb mit halber Motordrehzahl, Fig. 14 : Zur Erläuterung des Taumelscheiben-Antriebsprinzipes: (Plexiglasmodel) 1: Ein Taumelscheibenstern für fünf Doppelkolben (2), mit zwei Kugelsegmenten (3) pro Doppelkolben, Taumelan triebswelle (4) einmal, Synchronisier kegelrad (5) lx, Motorgehäuse (6) 2x : Montagerichtung der Teile.

Claims

Anspru-che Kolbenmaschine mit achsparallelen Zylindern als Taumeischeibentrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Taumeischeiben mittels Kugelelemente 2, 3 in den Kolben gelagert sind , (Fig. 1, 3, 4, 8).
Kolbenmaschine nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibenarme 1 zwischen den Kugelsegmanten 2, 3 gleitend gelagert sind.
3. Kolbenmaschine mit achsparalleeln Zylindern nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Taumelscheibenlager in den Kugelelementen 2, 3 in Drehmontenrichtung seitlich begrenzt ist,(Fig. 1).
4. Kolbenmaschine nach Anspruch 3., dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Taumelscheibenlager als Bolzen in einer Bohrung des Kugelelementes 2, 3 gelagert ist (Fig. 1 usw.).
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4., dadurch gekennzeichnet, daß die Kugeln 2, 3, die Taumelscheibenlager 1 ßldrucktaschen 8, 9 aufweisen, die von zentralen Druckkanälen 10 versorgt werden, Fig.l.
6. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1,, und 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe 19 ein Kegelrad 20 aufweist, das mit einem Gehäusefesten weiteren Kegelrad im Eingriff steht, derart, daß deren Eingriffsmittellinien sich im Schnittpunkt M des Taumelscheibenlagers und der Abtriebswelle 18 schneiden (Fig. 3).
7. Kolbenmaschine nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß die Taumelscheibe 12 im festen Statorgehäuse achsparallel zur Abtriebswelle bei 14 geführt ist (Fig. 2).
8. Kolbenmaschine nach einem der Anspruche 1. bis 6., gekennzeichnet dadurch daB die Doppelkolben 4 beiderseits anschließend Verbrennungsraume 6 und 7 aufweisen (Fig. 1, 3, 4).

9. Kolbenmaschine mit achsparallelen Zylindern nach einem der Ansprüche 1 bis 8., dadurch gekennzeichnet, daß zwei Taumeischeibentriebe 23, 24 auf einer gemeinsamen Abtriebs- bzw. Antriebswelle 30 als Verdränger antriebe 22, 23 wirken (Fig, 4).

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9., dadurch gekennzeichnet, daß die von den gegenläufigen Verdrängern 22, 23 eingeschlossenen Räume 25 Aus- und Einlaßschlitze As, Es oder Ein-, Auslaßventile 26, 27 aufweisen.

11. Kolbenmaschine nach Anspruch 10., dadurch gekennzeichnet, daß die Räume 25 wahlweise als Diesel-Verbrennungsräume und Verdichterräume dienen.

12. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die außenliegenden Verdrängerräume 28, 29 wahlweise als Verdichter oder Verbrennungsräume dienen.

19. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 12., dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auslaßventile 33 (Fig. 1) von zentralen Nocken 32 gesteuert werden, welche synchron von der An- bzw. Abtriebswelle 11 angetrieben werden.

14. Kolbenmaschine nach Anspruch 13., dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsnocken 32 ... am Umfang mehrere Ventile 33=steuern (Fig. 1).

15. Kolbenmaschine nach Anspruch 14., gekennzeichnet dadurch, daß mit dem Abschalten der Brennstoffzufuhr eines Teiles der Verbrennungsräume deren Ein- und - oder - Auslaßventile mit Hydrokolben 35 geoffnet werden (Fkg. 5).

16. Kolbenmaschine nach Anspruch 14., dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verdrängerräume als Verdichter betrieben wird und die verdichtete Frischluft den restlichen Verbrennungsräumen zugeführt wird.

17. Kolbenmaschine nach Anspruch 16., dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichterkolben 43 im Zweitaktverfahren (Ansaugen- Ausschieben) betrieben werden mit Kompressorventilen 37, 38 (Fig. 3).

18. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 14., dadurch gekennzeichnet, daß die AuslaBkanäle, z.8. 39, 40, Fig. 1, der Verbrennungsräume mit den EinlaBkanalen mindestens eines Verdrängerraumes vermittels eines steuerbaren Ventiles 41, Fig. 3 zu verbinden sind.

l9..Kolbenmaschine nach Anspruch 18., dadurch gekennzeichnet, daß die Ein-und Auslaßventile für die Abgasbetriebsräume mit Hilfe steuerbarer Ventile 35 (Fig.5) zusammen mit Umschaltventil 41 (Fig.3) steuerbar sind.

20. Kolbenmaschine nach einem Teil der Ansprüche 18., 19., und 13., 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasverdrängerräume bzw. deren Ein- Auslaßventile von entsprechenden Nocken 32 z.B. im Zweitaktverfahren , d.i.

die Motordrehzahl des Nockenantriebes, gesteuerte werden, Fig. 1,3, 5.

21. Kolbenmaschine nach einem Teil der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichet, daß mindestens ein Doppelkdben 43, Fig. 3 zweistufig ausgeführt ist, dessen großer Verdrängerraum als Verdichter der Verbrennungsmotorraume bzw. deren Ansaugkanälen 44 wirkt.

22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennziechnet, daß die Doppelkolben 43, Fig. 3 abwechselnd als Entspannungsräume und Frischluft-Kompressionsraume wirken, indem sie über ein Ventil 45 umgeschaltet werden.

23. Kolbenmaschine mit achsparallelen Zylindern als Taumeltrieb, nach einem Teil der Ansprüche 1 bis 17, 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Kolbenräume als Verbrennungsräume, zl B. 6,7 (Fig. 1) 28, 29 (Fig, 4) und mindestens einer der Doppelkolben als Ein- oder Mehrstufiger Verdichter , z.B. 60, 61 (Fig. 8) in einer Wärmeanlage arbeiten.

24. Kolbenmaschine nach einem Teil des Anspruches 23., dadurch gekennzeichet, daß mindestens ein Verdrängerraum als Kompressor-73 , ein weiterer als Warmwasser bzw. Heißluft-Umlaufpumpe 77 (Fig. 7) arbeitet.

25. Kolbenmaschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der erzeugten Kompressorluft anstelle eines Gebläses M eines Verdampfers 72 (Fig. 7) abgezweigt ist.

26. Kolbenmaschine nach Anspruch 9., einem Teil der Ansprüche 10 bis 14., einem Teil von 23, 24, 25, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Kolbenliegenden Verdrängerräume 25 (Fig. 4) als Hochdruck-Verdichterräu,e eines Kältemittels in einer Wärmepumpenanlage (Fig. 7, 8) dienen.

27. Kolbenmaschine nach einem Teil von Anspruch 26., dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Verbrennungsräume 25 (Fig. 4) im Dieselbetrieb, ein Teil als Hochdruckverdichter, die seitlichen Räume 28, 29 als Niederdruck-Kältemittelverdichter mit ZwischenkUhlung (Fig. 8) wirken.

28. Kolbenmaschine nach Anspruch 27., dadurch gekennzeichnet, daß abgestufte Doppelkolben 60, 61 (Fig. 8) als ND- und HD-Verdichter mit Zwischenkühlung 62 des Kältemittels arbeiten.

29. Kolbenmaschine nach Anspruch 28., dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine ein- und zweistufige Kolben 60, 61 (Fig. 1, 8) als Verbrennungs- und zweistufige Verdichter gemischt aufweist.

30. Kolbenmaschine nach Anspruch 24., dadurch gekennzeichent, daß das Verbrennungsmotor-Kühlwasser 50 (Fig. 3) mittels einer Kühlwasser- bzw. -Luftpumpe (Kompressor) im Wärmeverteilungssystem 76 (Fig. 7) umgewälzt wird.

31. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 23., 30., dadurch gekennzeichnet.

daß von den achsparallelen Zylindern angesaugte Kältemittel 50 (Fig. 3) seine Wärme mit dem Kühlwasser 5 1 des Motors austauscht.

32, Kolbenmaschine mit achsparallelen Zylindern als Taumeltrieb nach den Ansprüchen 1 bis 7, 9, 10, 13, 17, 21, z.T. 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine vorzugsweise als 1 oder mehrstufiger Verdichter eines Kältemittels 73 (Fig.7), Wärmeverteilerpumpe 77 für Heizwasser Warmluft etc1 sowie als Gebläse 72 (Fig. 7) eines Verdampfers 72 wirkt und von einem E-Motor, Verbrennungsmotor, Turbine etc. angetrieben wird.

33. Kolbenmaschine nach Anspruch 32, Ansprüchen 1 bis 7, dadurcg gekennzeichnet, daß die Kugelelemente 2, 3 (Fig. 1 usw.) aus abriebfestem, korrosionsfestem und reibungsarmen Kunststoff gefertigt ist.

34. Kolbenmaschine mit achsparallelen Zylindern nach den Ansprüchen 1 bis 6, 8, einem Teil von 9 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung der Ein- und Auslaßventile E und A (Fig. 1, 3, 5 usw.) eine Taumelscheibe 13 (Fig.

(Fig. 2) dient, welche achsparallel bei 14 im Statorgehäuse geführt ist.

35. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 12, 16 einem Teil von 18 bis 31., dadurch gekennzeichnet, daß die von der Motorwelle 11 (Fig. 1) synchron angetriebene Drehschieberanordnung 83, 84, 85 (Fig. 6), bzw. 93, 94, 95 (Fig. 10), bzw. 103, 104, 105 (Fig. 11) die Ein- und Auslaßventile (EÖ)1 4, (ES)1...4 und (AÖ)11114, (AS)1...4 (Fig 12) über Ventilservokolben 82 (Fig. 6) steuern.

@@. Kolbenmaschine nach Anspruch 35., dadurch gekennzeichnet, daß während O£n.r Drehung der synchronen Schieberwelle 85 bzw. 95, bzw. 105 die mitithWnden Schieber 83, 84 , bzw. 93, 94, bzw. 103, 104 die Zu- und Ab-@@@se (PT)1 4 der Zylinder 1 bis 4 steuern.

J% Kolbenmaschine nach Anspruch 36., dadurch gekennzeichnet, daß Schieberpaars 84 und 85, bzw. 93 und 94 (Fig. 12), bzw. 103, 104 (Fig. 13) die Öffnungs und Schließzeitpunkte (Ed, ES)1...4 und (AÖ, AS)1...4 der Ein-und AuslaBventile EA steuern.

38. Kolbenmaschine>nach Anspruch 37., dadurch gekennzeichnet, daß eine rechnergetseuerte axiale Bewegung der Drehschieber 84, 83 bzw. 93, 94 bzw. 103, 104 (Fig. 6, 10, 11) die Ventilöffnungs- und Schließzeiten rechnerabhängig gesteuert werden.

39. Kolbenmaschine nach Anspruch 38., dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschieber 103, 104 (Fig. 13) je von einem DigitaVAnalogwandler (Schritt-Motore SM1, SM2) quasistetig und axial verschoben werden.

40. Kolbenmaschine nach Anspruch 39., dadurch gekennzeichnet, daß Steuerkurven Pl, T1 und P2,T2 der Drehschieber 103 und 104 die Zu- und Abflußzeitpunkte Öffnen und Schließen) der Ein- und Auslaßventilt E11104, A11114 der einfachwirkenden Ventilservokolben 82 (Fig. 6) steuern.