DE10315833A1 - Piston engine to operate for thermal engines and pumps has working areas and partial pistons per working area run at an angle to each other - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem oder mehreren Arbeitsräumen und zwei oder mehr in einem Winkel zueinander geführten Kolben (in der Folge als „Partialkolben" bezeichnet) je Arbeitsraum.The The invention relates to a reciprocating piston machine with one or more workrooms and two or more pistons at an angle to each other (hereinafter referred to as "partial piston") per work area.
Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Hubvolumen einer Hubkolbenmaschine für gasförmige Medien vorteilhaft auf mehrere leichte Partialkolben aufzuteilen, um erstens einen möglichst kurzen Hub je Partialkolben, zweitens eine vorteilhafte Arbeitsraumbildung, drittens eine kompakte Bauweise mit immanentem Massenausgleich und viertens auf systematischem Wege eine gleichförmigere Übertragung der Gaskräfte auf Kolben und Triebwerk zu erreichen.you the task is based on the stroke volume of a reciprocating piston machine for gaseous media to be divided advantageously over several light partial pistons, firstly one if possible short stroke per partial piston, secondly an advantageous working space formation, third, a compact design with intrinsic mass balance and fourth, a more uniform transmission of gas forces in a systematic way To reach pistons and engine.
Der
Arbeitsraum der konventionellen Hubkolbenmaschine wird durch einen
einzelnen Kolben mit kreisförmigem
Querschnitt gebildet. Maschinen, die mehr als einen Kolben je Arbeitsraum
aufweisen, sind an sich bekannt – beispielsweise als lineare
Gegenkolbenmaschine von Junkers (
Auch
Maschinen mit zwei oder mehr winklig zueinander geführten Partialkolben
je Arbeitsraum sind bekannt. Das Patent
Aus den beiden zuletzt genannten Anmeldungen werden – mit unterschiedlicher Intention – die Vorteile von Mehrkolbenentwürfen deutlich: Kurzhubigkeit, Drehfestigkeit, Annäherung eines kugelförmigen Brennraums, guter Massenausgleich. Aber auch die Nachteile: die Zusammenführung von Kurbelwellen – insbesondere gegenläufiger – über Zahnräder oder Kettentriebe gilt im Motorenbau als geräuschintensiv und verschleißträchtig. Eine außen umlaufende Kurbelschleife wirft hingegen beachtliche Probleme der Lagerung auf.Out The last two registrations - with different intentions - are the advantages of multi-piston designs clear: short stroke, torsional strength, approach of a spherical combustion chamber, good mass balance. But also the disadvantages: the merging of Crankshafts - in particular opposing - via gears or Chain drives are considered to be noise-intensive and wear-prone in engine construction. A Outside revolving crank loop, however, poses considerable problems of Storage on.
Grundlegendes
Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Triebwerk für eine Mehrkolbenmaschine,
das die Kräfte
mehrerer winklig versetzter Kolben bei kleinstem Bauraum und gegenüber herkömmlichen
Designs verringerten Bewegungsmassen zusammenführt und darüber hinaus alle Voraussetzungen
für einen
vollständigen
Massenausgleich aller oszillierenden und rotierenden Massen erfüllt. Es
ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftumsetzung über miteinander
kraftschlüssig
gekoppelte Kurbelschleifentriebe (
Die Integration der Kurbelschleife in den Partialkolben bietet eine Reihe von entscheidenden Vorteilen. Sie ermöglicht vollständig symmetrische doppeltwirkende Kolben – ohne Stangendurchführung in einem der Arbeitsräume. Des weiteren verkürzt sie den Kraftweg zwischen Kolbenboden und Kurbelzapfen auf das absolute Minimum, gleichbedeutend mit einer Optimierung nach Steifigkeit und Gewicht. Ein gegebener Kraftfluss kann daher durch eine sehr filigrane und gegenüber herkömmlichen Bauformen deutlich leichtere Kolbenstruktur erreicht werden. Das Eigenschwingverhalten des Kraftwegs sowie der Kurbelschleife spielt praktisch keine Rolle mehr, da ein beliebig starrer Verbund von Kurbelschleifenbahn und Kolbenboden möglich ist. Um eine Montage der Welle zu ermöglichen, kann der Kolben beispielsweise an der Kurbelschleife in zwei Hälften geteilt und durch Stahlflanken, die die Schleife seitlich schließen und aussteifen, verbunden sein.The Integration of the crank loop in the partial piston offers one A number of decisive advantages. It enables completely symmetrical double acting pistons - without Lead-through in one of the work rooms. Furthermore shortened the force path between the piston crown and crank pin to the absolute Minimum, synonymous with optimization based on rigidity and weight. A given flow of power can therefore be very filigree and opposite usual Designs significantly lighter piston structure can be achieved. The Natural vibration behavior of the force path and the crank loop plays practically no longer a role, since an arbitrarily rigid combination of Crank loop track and piston crown is possible. To an assembly to allow the wave For example, the piston can be split in half on the crank loop and by steel flanks that close the loop on the side and brace, be connected.
Der
in den Kolben verlagerte Kurbelraum hat verschiedene Auswirkungen
auf die Schmierung und Kühlung.
So können
Kolben und Kurbeltrieb über eine
Wellenbohrung gut von innen her geschmiert und durch direktes Anspritzen
des Kolbenbodens, beispielsweise über Bohrungen im Ausgleichsgewicht
Obwohl
ein kreisförmiger
Kolbenquerschnitt (
Das durch Anspruch 1 beschriebene Triebwerk bildet erfindungsgemäß die Grundlage für sehr leichte und kompakte Mehrkolbenarchitekturen, die bei ruhigstem Lauf je nach Anwendungszweck auf hohe spezifische Leistungen und/oder hohe thermodynamische Wirkungsgrade ausgerichtet sind.The Engine described by claim 1 forms the basis according to the invention for very light and compact multi-piston architectures that ever run smoothly depending on the application to high specific performance and / or high thermodynamic efficiencies are aligned.
Es
ist üblich,
den Kraftschluss zwischen mehreren Wellen über Stirnrad- oder Planetengetriebe
herzustellen. Kurbelwellen von Wärmekraftmaschinen
drehen dabei im Allgemeinen gegenläufig, da dies einen immanenten
Ausgleich der Pleuel- und Kurbelmassen (vgl. Rhombentrieb) ermöglicht.
In Anordnungen mit bidirektionalem Kraftfluss stellt allerdings
das Zahnradspiel ein Problem dar. So führen die Torsionsschläge eines
Viertaktverbrennungsmotors zu starker Geräuschentwicklung und mit zu schnellem
Verschleiß.
Da in Kurbelschleifentrieben aufgrund der fehlenden Pleuelmassen
keine Massenkräfte
Bei
gleichem Drehsinn und mehr als zwei Kurbelachsen ist die Möglichkeit
gegeben, entlang Anspruch 2 den Kraftschluss zwischen den Kurbelwellen
der Kurbelschleifentriebe (
Prinzipiell kann bei vorhandenem Kraftschluss aber auch jede der Partialkolbenwellen als An-/Abtriebswelle fungieren. Mit Blick auf Mehrkupplungsgetriebe ohne Zugkraftunterbrechung bietet die erfindungsgemäße Anordnung daher gerade wegen der Verfügbarkeit mehrerer Abtriebswellen Vorteile. Im einfachsten Fall können die unterschiedlichen Übersetzungen in bekannter Weise direkt auf je eigene Wellen aufgekuppelt werden, was extrem schnelle und unkomplizierte Schaltvorgänge ohne spezifische Maßnahmen für die Synchronisation (Synchronringe, Klauen etc.) ermöglicht.in principle can also do any of the partial piston shafts if there is a positive connection act as input / output shaft. With a view to multi-clutch transmission The arrangement according to the invention offers without interruption in tractive force therefore precisely because of the availability multiple output shafts advantages. In the simplest case, they can different translations are coupled directly onto their own shafts in a known manner, what extremely fast and uncomplicated switching operations without specific measures for the Synchronization (synchronizer rings, claws etc.) enables.
Dem Einwand, dass die vielen Wellenlager des erfindungsgemäßen Aufbaus zusätzliche Lagerverluste verursachen, sei dadurch begegnet, dass das Triebwerk speziell für Anordnungen mit immanentem Massenausgleich eingesetzt werden kann, die keine weiteren Ausgleichsmaßnahmen mehr erfordern. Der vollständige Massenausgleich herkömmlicher Einzylinder- aber auch Mehrzylinder-Hubkolbenmaschinen erfordert hingegen bis zu vier mit mehrfacher Frequenz drehende Ausgleichswellen.the Objection that the many shaft bearings of the structure according to the invention additional Warehouse losses are countered by the fact that the engine especially for Arrangements with intrinsic mass balancing can be used no further compensatory measures require more. The complete one Mass balance more conventional Single-cylinder but also multi-cylinder reciprocating machines are required however, up to four balancer shafts rotating at multiple frequencies.
Der
Kurbelschleifentrieb ist als Alternative zum Pleueltrieb bekannt.
Trotz seiner besseren Eigenschaften hinsichtlich Massenausgleich
und Kolbenführung
hat er sich aber bei Verbrennungsmotoren bisher nicht gegen den
Pleueltrieb durchsetzen können.
Der Grund dafür
ist wohl, dass die konstruktive Ausgestaltung des Kurbelschleifentriebs
in Kolben, Kolbenstange und Kurbelschleife (vgl. bspw.
Es ist bekannt, dass eine die Kugelform annähernde Brennraumkontur einerseits und große Hubräume andererseits den thermodynamischen Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren verbessern, weil beide Trends das Verhältnis Wandfläche-zu-Volumen und somit die Wandwärmeverluste reduzieren. Da herkömmliche Hubkolbenmaschinen mit nur einem Kolben je Arbeitsraum im oberen Totpunkt einen sandwichähnlichen Arbeitsraum ausbilden, lassen sich bessere Wandfläche-zu-Volumen-Verhältnisse im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen erreichen: erstens durch einen längeren Hub, mit dem Nachteil höherer Massenbeschleunigungen aufgrund der vergleichsweise höheren mittleren Kolben- und Pleuelgeschwindigkeiten, und zweitens durch einen größeren Hubraum mit dem Nachteil größerer Kolben- und Pleuelmassen – es ist bekannt, dass Schiffsmotoren so höchste Wirkungsgrade erzielen. Beide Maßnahmen stehen tendenziell aber höheren Drehzahlen im Wege und erniedrigen damit die Leistungsdichte.It is known that a combustion chamber contour approximating the spherical shape on the one hand and large displacements on the other hand improve the thermodynamic efficiency of internal combustion engines because both trends reduce the ratio of wall area to volume and thus the wall heat losses. Since conventional reciprocating piston machines form a sandwich-like working space with only one piston per working space at top dead center, better wall area-to-volume ratios can essentially be achieved by two measures: firstly by a longer stroke, with the disadvantage of higher mass accelerations due to the comparatively higher average Piston and connecting rod speeds, and secondly due to a larger displacement with the disadvantage of larger piston and connecting rod masses - it is known that ship engines achieve the highest levels of efficiency. Both measures tend to stand in the way of higher speeds and lower them thus the power density.
Hubkolbenmaschinen
mit mehreren Partialkolben je Arbeitsraum ermöglichen einerseits Anordnungen
mit geringerem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis je Kolben, da der Gesamthub
auf die Kolben verteilt werden kann. Um, entlang Anspruch 1, die
Kurbelschleife als integ ralen Bestandteil des Kolbens auszubilden,
muss diese in der Zylinderbohrung Platz finden, was in der Praxis
maximal ein Verhältnis
von etwa 0,5 bis 0,6 ermöglicht
(
Beide Architekturen bieten einen vollständigen, immanenten Massenausgleich, ohne dass irgendwelche Ausgleichsgewichte für die Kolbenmassen erforderlich wären. (Der Beweis dafür leuchtet unmittelbar ein: Im Regelfall, das heißt bei gleichen Kolbenmassen, -winkeln und -wegen, ist die Kinematik der Ringanordnung achsensymmetrisch zu den Diagonalen und die der Sternanordnung punktsymmetrisch zum Sternpunkt.) Auch steht einem Kraftschluss nach dem Schubstangenprinzip entlang Anspruch 2 nichts im Wege. Die Ausgleichsgewichte für die rotierenden Kurbelmassen können problemlos im Kolben untergebracht werden.Both Architectures offer full, intrinsic mass balancing, without the need for any counterweights for the piston masses would. (The proof of that lights up immediately: As a rule, i.e. with the same piston mass, angles and paths, the kinematics of the ring arrangement is axisymmetric to the diagonals and that of the star arrangement point symmetrically to Star point.) There is also a frictional connection based on the push rod principle nothing in the way along claim 2. The balance weights for the rotating ones Crank masses can can be easily accommodated in the piston.
Beide Architekturen arbeiten mit einem stark unterquadratischen Partialhub und erreichen bei minimalem Kolbengewicht und geringsten Abmessungen eine bemerkenswert gute Stabilität gegen auftretende Kipp-, Beschleunigungs- und Gaskräfte. Ausgehend von einer durch den Ventiltrieb vorgegebenen Maximaldrehzahl erlauben sie daher aus kinematischen Gründen vergleichsweise große Hubräume, die den Wirkungsgrad verbessern und die zusätzlichen Reibverluste des Mehrkolbendesigns mehr als wettmachen.Both Architectures work with a strongly sub-square partial stroke and achieve with minimal piston weight and smallest dimensions remarkably good stability against tipping, acceleration and gas forces. outgoing allow from a maximum speed predetermined by the valve train therefore for kinematic reasons comparatively large displacements, which improve the efficiency and the additional friction losses of the multi-piston design more than make up for it.
Die Ringarchitektur steht für höchste Leistungsdichten und eignet sich insbesondere für Viertaktverbrennungsmaschinen, die als Otto- oder Dieselmotoren ausgelegt sind. Die vier Brennkammern weisen große Atmungsflächen auf; die Kolben sind erfindungsgemäß doppeltwirkend und erlauben bei entsprechender Formgebung trotz höchster Verdichtung eine vorteilhafte Brennraumform. Einer Aneinanderreihung mehrerer Ringe für höchste Leistungen steht nichts im Wege, da die Ringe insbesondere keine Massenmomente entwickeln. Bei Verwendung eines rechteckigen Kolbenquerschnitts entlang Anspruch 3 ist eine Überhöhung der Kolben in Achsrichtung der Wellen möglich. Unter Inkaufnahme von wenig zusätzlicher Kolbenmasse lässt sich so bei unterverändertem Hub eine erhebliche Hubraumvergrößerung bei kompaktestem Motordesign erzielen. Obwohl der Hub in diesem Fall extrem unterquadratisch wird, bleibt die günstige Brennraumform erhalten. Spülung, Einspritzung und/oder erforderlichenfalls Zündung lassen sich durch Reihenanordnung im Kopfbereich beliebig aufspreizen und für den Teillast- und/oder Magerbetrieb gezielt abschalten.The Ring architecture stands for highest Power densities and is particularly suitable for four-stroke internal combustion engines, which are designed as gasoline or diesel engines. The four combustion chambers point size breathing space on; the pistons are double-acting according to the invention and allow an appropriate shape despite the highest compression an advantageous Combustion chamber shape. A series of rings for highest performance stands nothing in the way, since the rings in particular do not develop mass moments. When using a rectangular piston cross section along claim 3 is an exaggeration of the Pistons possible in the axial direction of the shafts. Accepting little extra Piston mass leaves so with under-changed Stroke a significant increase in displacement achieve the most compact motor design. Although the hub in this case becomes extremely sub-square, the favorable combustion chamber shape is retained. Flushing, injection and / or ignition if necessary can be expanded as required by arranging rows in the head area and for specifically switch off part-load and / or lean operation.
Die Sternarchitektur bietet alle Voraussetzungen für einen Zweitaktmotor mit Getrenntschmierung und Gleichstromspülung sowie für einen aufgeladenen Viertaktmotor. In beiden Ausführungen können die Gegenseiten der Partialkolben als Ladekolben fungieren. Bei Viertaktmotoren wird so eine mechanische 2:1-Aufladung erzielt. Ventil-, Zünd- und Einspritzvorrichtungen lassen sich, soweit erforderlich, innerhalb der OT-Kontur (OTK) an den beiden gegenüberliegenden Kopfflächen anbringen, mit Vorteilen, die im Zusammenhang mit Anspruch 10 erörtert werden.The Star architecture offers all the prerequisites for a two-stroke engine with separate lubrication and DC flushing also for a charged four-stroke engine. In both versions, the opposite sides of the partial piston act as a loading piston. With four-stroke engines, this becomes a mechanical one Achieved 2: 1 charging. Valve, ignition and injection devices If necessary, can be within the OT contour (OTK) on the two opposite head surfaces attach, with benefits that are discussed in connection with claim 10.
Ein eigener, von der konventionellen Hubkolbenmaschine etwas weiter weg führender, separater Lösungsstrang der vorliegenden Erfindung ist bei gleichem Oberbegriff (Anspruch 6) und optional gleichem Triebwerk (Anspruch 7) eine Mehrkolbenanordnung mit deutlich reduzierter Kolben- und Triebwerksbelastung sowie verbesserten Bedingungen für thermodynamische Prozesse, die insbesondere für Wärmekraftmaschinen, aber auch für Hochdruckpumpen oder Feststoffpressen Vorteile bringt. Sie ist – entlang Anspruch 6 – dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Formgebung und Führung der Partialkolben eine Änderung der wirksamen Kolbenfläche in Abhängigkeit vom Hub erzielt wird. Unter „wirksamer Kolbenfläche" ist hier die Summe der Flächenteile der Partialkolben zu verstehen, die den Arbeitsraum bei gegebenem Phasenwinkel nach außen hin abgrenzen – also mit dem Arbeitsmedium sowie dem davon ausgeübten Druck beaufschlagt sind.On own, a bit further from the conventional reciprocating piston machine leading away, separate thread the present invention is in the same preamble (claim 6) and optionally the same engine (claim 7) a multi-piston arrangement with significantly reduced piston and engine loads as well as improved Conditions for thermodynamic Processes that are particularly important for heat engines, but also for High pressure pumps or solid presses bring advantages. It is - along Claim 6 - thereby characterized by a suitable shape and guidance of the Partial piston a change the effective piston area dependent on is achieved by the hub. Under "more effective Piston area "is the sum here of the surface parts the partial piston to understand the given working space Phase angle to the outside delimit - so with the working medium and the pressure exerted by it.
Der
als eigenständiger
Hauptanspruch auftretende Anspruch 6 lässt an sich noch nicht erkennen,
ob eine „geeignete
Formgebung und Führung der
Partialkolben",
die zu einer Änderung
der wirksamen Kolbenfläche
führt,
konkret existiert. Tatsächlich liefert
die Geometrie der Dreiecke in Ebene und Raum aber eine Vielfalt
von Lösungen.
Deutlich wird dies durch die beiden, in den Ansprüchen 8 und
9 über
geometrische Grundkörper
be schriebenen speziellen Ausführungsarten
(
Während sich
die wirksame Kolbenfläche
bei ebenen Anordnungen (vgl. Ansprüche 8 und 9) in linearer Abhängigkeit
mit dem Hub verändert
(
Anspruch 7 kombiniert – bei gleichem Oberbegriff – die durch die Ansprüche 1 bis 3 beschriebene Anordnung mit Anspruch 6. Das erfindungsgemäße Triebwerk eignet sich nämlich bestens für die Kraftumsetzung der Mehrkolbenmaschine mit veränderlicher Kolbenfläche – insbesondere in ebener Ausführung; für räumliche Ausführungen wird der Kraftschluss über elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Vorrichtungen einfacher zu realisieren sein, da die Bewegungsachsen dann nicht auf einer Ebene liegen.claim 7 combined - at same generic term - the through the claims 1 to 3 described arrangement with claim 6. The engine of the invention is suitable best for the power conversion of the multi-piston machine with variable Piston area - in particular in a flat design; for spatial versions the adhesion is over electromagnetic, hydraulic or pneumatic devices be easier to implement because the axes of movement will not lie on one level.
Anspruch
8 beschreibt eine bevorzugte Ausführung der Mehrkolbenmaschine
mit veränderlicher Kolbenfläche, dadurch
gekennzeichnet, dass n > 2
in der Grundform wie gleichschenklige dreiseitige Prismen gleicher
Höhe ausgebildete
Partialkolben (
Die
entwicklungstechnische Sicht dieser bevorzugten Ausführungsart
der Maschine wird im Folgenden eingehender beschrieben. Zunächst einmal sei
angemerkt, dass die Maschine das Analogon zu der in Anspruch 6 beschriebenen
Sternanordnung bildet. Statt in Laufbuchsen gleiten die dreieckig
geformten Partialkolben bei (im weiteren Sinne) tangentialer Führung (
Der Arbeitsraum kann als pulsierendes Prisma begriffen werden, dessen Höhe vom Prinzip her frei wählbar ist. Um das Verhältnis Wandfläche-zu-Volumen zu optimieren (tatsächlich war dies der ursprünglich hinter der Erfindung steckende Gedanke), wird es eines der Ziele bei der Auslegung der Maschine als Verbrennungsmotor sein, dass der Brennraum dann die Kugelform am besten annähert, wenn die Temperatur am größten ist, also etwas nach OT. Die beste OT-Kontur ist demnach ein Prisma, das etwas höher als breit ist.The Working space can be understood as a pulsating prism, whose Height from Freely selectable principle is. About the relationship Wall surface to volume to optimize (actually this was the original one idea behind the invention), it becomes one of the goals when designing the machine as an internal combustion engine that the combustion chamber best approximates the spherical shape when the temperature at greatest is so something after OT. The best OT contour is therefore a prism, that a little higher than is wide.
Der
Massenausgleich für
die erfindungsgemäße Maschine
ist denkbar einfach. Bei ausgewuchteten rotierenden Massen (Kurbelmassen)
lassen sich die Kräfte
der oszillierenden Massen ohne weitere Auswuchtung als Summe von
radialen und tangentialen Komponenten begreifen, wobei sich die
radialen Kräfte
der Kolben bei punktsymmetrischer Auslegung ausgleichen und die
tangentialen Kräfte ein
Torsionsmoment (!) mit wechselndem Vorzeichen um die Achse SP erzeugen.
Obwohl ein vollständiger Ausgleich
auch der tangentialen Kolbenkräfte
allein durch rotierende Gewichte (
Dem
Einwand, dass die innere Reibung der erfindungsgemäßen Maschine
sowie der Dichtaufwand um einiges höher sind als bei der konventionellen
Hubkolbenmaschine, sei durch die folgende Modellrechnung begegnet:
Die
The
Die konventionelle Hubkolbenmaschine sei mit 8 cm Hub quadratisch ausgelegt und verfüge über ein 2:1-Pleuel. Die Fläche ihrer sandwichförmigen OT-Kontur errechnet sich somit zu etwa 125 cm2. Die erfindungsgemäße Maschine verfüge über vier gleiche Partialkolben und weise eine quaderförmige OT-Kontur mit 3 × 3 × 4 cm3 auf, woraus sich ein (tangentialer) Partialkolbenhub von 5,4 cm und eine OT-Konturfläche von 66 cm2 errechnet. Auf einen Partialkolbenhub von 8 cm ausgelegt, hätte die erfindungsgemäße Maschine bereits ein Hubvolumen von 1333 cm3 bei einer OT-Kontur von 128 cm2 (entsprechend 4,5 × 4,5 × 6 cm3). Aus dieser Rechnung wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Maschine bei vergleichbaren kinematischen Bedingungen (Drehzahl) und gleichem absoluten Wandwärmeverlust auf den gut dreifachen Hubraum ausgelegt werden kann. Eine Anordnung aus zwei Einheiten kann daher von der Leistung her nicht nur eine konventionelle Sechszylindermaschine aufwiegen, sie erzielt auch einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad – bei naturgemäß geringerer Zündfrequenz. Bei Anordnungen mit fünf oder sechs Partialkolben wird das Verhältnis von Hubraum zu Partialhub durch den kleiner werdenden Winkel zwischen Kraftrichtung und tangentialer Führung weiter verbessert.The conventional reciprocating piston machine is designed to be square with an 8 cm stroke and has a 2: 1 connecting rod. The area of their sandwich-shaped OT contour is thus calculated to be approximately 125 cm 2 . The machine according to the invention has four identical partial pistons and has a cuboid TDC contour with 3 × 3 × 4 cm 3 , from which a (tangential) partial piston stroke of 5.4 cm and an TDC contour area of 66 cm 2 are calculated. Designed for a partial piston stroke of 8 cm, the machine according to the invention would already have a stroke volume of 1333 cm 3 with an TDC contour of 128 cm 2 (corresponding to 4.5 × 4.5 × 6 cm 3 ). From this calculation it is clear that the machine according to the invention can be designed for a good three times the displacement under comparable kinematic conditions (speed) and the same absolute heat loss. An arrangement of two units can therefore not only outweigh the performance of a conventional six-cylinder machine, it also achieves a higher thermodynamic efficiency - with a naturally lower ignition frequency. In arrangements with five or six partial pistons, the ratio of displacement to partial stroke is further improved by the smaller angle between the direction of force and tangential guidance.
Der
Vollständigkeit
halber sei erwähnt,
dass das Maschinendesign durchaus die Option für eine Verdichtungsanpassung
bietet. Bereits eine geringe Drehung der Partialkurbelachsen um
die Achse SP bewirkt eine Änderung
der Verdichtung sowie des Hubvolumens dahingehend, dass sich das
Hubvolumen bei wachsendem ε verringert – und umgekehrt. Ein
verkleinertes Hubvolumen senkt die Drosselverluste. Konstruktiv
lässt sich
das am einfachsten realisieren, wenn die Achse (
Zudem sei auf die Möglichkeit hingewiesen, dass die Partialkolben bei hinreichend großem Hub mit ihren Spitzen den Punkt SP auch überlaufen können und den Arbeitsraum zum OT hin also erneut öffnen. Die Maschine durchläuft somit eine Volumenänderung mit doppelter Kurbelfrequenz, wobei das Volumenverhältnis für die beiden Öffnungsphasen über die Winkellage der Partialkurbelwellen frei wählbar ist. Im Unterschied zur nicht überlaufenden Maschine wird das Minimalvolumen mit großer Geschwindigkeit durchlaufen, wobei die Volumenentwicklung im symmetrischen Fall sinusförmig ist. Es wird allerdings eingeräumt, dass die Abdichtung der Partialkolben schwierig ist und der spezifische Hub (bezogen auf Volumenfluss) ungünstiger wird.In addition, attention should be drawn to the possibility that the tips of the partial pistons can also overrun the point SP if the stroke is sufficiently large, and thus open the working space towards the OT again. The machine thus undergoes a volume change with double crank frequency, the volume ratio for the two opening phases being freely selectable via the angular position of the partial crankshafts. In contrast to the non-overflowing machine, the minimum volume is run through at high speed, with the volume development in symmetrical case is sinusoidal. However, it is conceded that the sealing of the partial pistons is difficult and the specific stroke (in relation to volume flow) becomes less favorable.
Ausgestattet mit einer Vorrichtung zur Drehverstellung der Partialkurbelwellen um SP könnte die überlaufende Anordnung vorteilhaft als Viertaktverbrennungsmotor konzipiert werden, bei dem zur Leistungsregelung das Verhältnis zwischen Ansaug- und Arbeitsvolumen variiert wird. Im Teillastbetrieb läuft dies auf eine sehr wirkungsvolle Exergienutzung hinaus, da die Kolbenfläche in der exergetischen Phase am größten ist. Für den Hochleistungsbetrieb kann durch eine Verstellung in der umgekehrten Richtung auch eine Aufladung erreicht werden.Fitted with a device for rotating the partial crankshafts around SP could the overflowing Arrangement can be advantageously designed as a four-stroke internal combustion engine, where the ratio between intake and working volume for power control is varied. In partial load operation, this runs on a very effective Exergy use, since the piston surface in the exergetic phase on greatest is. For the High performance operation can be done through an adjustment in the reverse Towards charging can also be achieved.
Anspruch
9 beschreibt eine bevorzugte Ausführung der Mehrkolbenmaschine
mit veränderlicher Kolbenfläche als
Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass vier in der Grundform
als Trapez-Prismen ausgebildete, zwischen parallelen Wandungen und
um ein feststehendes inneres Viereck (
Diese
Ausführungsart
der erfindungsgemäßen Maschine ähnelt im
Prinzip der in Anspruch 5 beschriebenen Ringanordnung, mit dem Unterschied, dass
die vier Partialkolben wie in der durch Anspruch 8 beschriebenen
Ausführungsart
mit gleichem Drehsinn in überwiegend
tangentialer Richtung geführt werden
(
Werden die Ventile gegenüberliegend und leicht schräg, mit den Schäften zur Achse A weisend in den beiden Abdeckplatten des Arbeitsraums untergebracht, kann die Einlass- und die Auslassseite durch jeweils eine gemeinsame Nockenwelle (entlang A) bedient werden. Schräg liegende Ventile tragen zur besseren Annäherung der Kugelform bei und vergrößern zudem die für die Ventile verfügbare Fläche.Become the valves opposite and slightly sloping, with the shafts facing axis A in the two cover plates of the work area housed, the inlet and the exhaust side through a common camshaft (along A) are operated. Aslant lying valves contribute to the better approximation of the spherical shape and also enlarge the for the valves available Area.
Was den Massenausgleich des Triebwerks betrifft, so gilt im Wesentlichen das zur Ausführung entlang Anspruch 8 Gesagte.What Essentially applies to the mass balance of the engine that to run along Claim 8 said.
Anspruch 10 betrifft die Anordnung der Ventile und Einspritzdüsen für eine Auslegung der erfindungsgemäßen Maschine als Verbrennungsmotor. Bei der konventionellen Hubkolbenmaschine ist die Lage der Ventile und Einspritzdüsen naturgemäß auf die Kopffläche des Zylinders beschränkt. Wie bereits erwähnt, zielt die Mehrkolbenanordnung auf eine bessere Annäherung der Kugelform für den Brennraum ab. Weist der Brennraum gegenüberliegende Gehäuseflächen auf, besteht die Möglichkeit, dort Ventile und/oder Einspritzdüsen anzuordnen. Gegenüberliegende Ventile verbessern die Spülung bei weniger kritischen Ventilüberschneidungszeiten. Gegenüberliegende Einspritzdüsen, eröffnen die Möglichkeit einer strahlgeführten Schichtladung mit Gemischbildung durch Aufeinandertreffen der Strahlkegel in der Mitte des Brennraums, wobei die umhüllenden inerten Gaspolster die Wandwärmeverluste weiter verringern.claim 10 relates to the arrangement of the valves and injectors for one design the machine according to the invention as an internal combustion engine. With the conventional reciprocating piston machine the position of the valves and injectors is naturally on the head face of the cylinder limited. As already mentioned, the multi-piston arrangement aims at a better approximation of the Spherical shape for the combustion chamber. If the combustion chamber has opposite housing surfaces, it is possible, there valves and / or injectors to arrange. Opposing Valves improve flushing with less critical valve overlap times. Opposing injectors, open the possibility a beam-guided Stratified charge with mixture formation due to the beam cones colliding in the middle of the combustion chamber, with the enveloping inert gas cushion the wall heat losses further decrease.
Anordnungen entlang der Ansprüche 4, 7, 8 und 9 müssen aus geometrischen Gründen mit eher geringen Ventildurchmessern auskommen. Dies kann aber durch größere Ventilhübe ausgeglichen werden. Des weiteren sind aufgrund der günstigeren Arbeitsraumgeometrie, der Volumenentwicklung und der zentralen Lage der Ventile deutlich geringere Strömungsverluste beim Gaswechsel zu erwarten.arrangements along the claims 4, 7, 8 and 9 must for geometric reasons get by with rather small valve diameters. But this can be done by larger valve strokes can be compensated. Furthermore, due to the cheaper working space geometry, the volume development and the central location of the valves clearly lower flow losses to be expected when changing gas.
Erläuterung der Abbildungenexplanation of the pictures
- 11
- Gehäuse, feststehende Wandung Housing, fixed wall
- 22
-
Partialkolben;
in einzelner Aufzählung:
2a ,2b , ...Partialkolben; in individual enumeration:2a .2 B , ... - 33
- KurbelschleifeA crank slide
- 4 4
- Kurbelwangecrank web
- 55
- Kurbelzapfencrank pin
- 66
- Kurbelwelle An-/Abtriebcrankshaft Input / output
- 7 7
-
Kurbelwelle
Partialkolben; in einzelner Aufzählung:
7a ,7b , ...Crankshaft partial piston; in individual enumeration:7a .7b , ... - 88th
- Gleitstein für Kurbelschleifentriebslide for crank loop drive
- 9 9
- Kraftschlussvorrichtung nach dem Schubstangenprinzip, SchwungplatteTraction device according to the push rod principle, flywheel
- 1010
-
Ausgleichsgewicht;
in einzelner Aufzählung:
10a ,10b , ...Counterweight; in individual enumeration:10a .10b , ... - 11 11
- Einlassflatterventil für 2:1-LaderIntake shutter valve for 2: 1 loaders
- 1212
- Auslassflatterventil für 2:1-Lader Auslassflatterventil for 2: 1 loaders
- 1313
- Führungsnut für Tangentialführung der Partialkolbenguide for tangential guidance of the Partialkolben
- 1414
- Dichtleiste, KolbenringSealing strip, piston ring
- K, K1, K2 K K1, K2
- Kurbelkreiscrank circle
- WKFWKF
- wirksame Kolbenflächeeffective piston area
- OTK OTK
- Arbeitsraumkontur am oberen Totpunkt (OT)Working space contour at top dead center (OT)
- A, A1, A3A, A1, A3
- Achseaxis
- SPSP
- Sternpunktstar point
Claims (10)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2003115833 DE10315833A1 (en) | 2003-04-07 | 2003-04-07 | Piston engine to operate for thermal engines and pumps has working areas and partial pistons per working area run at an angle to each other |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2003115833 DE10315833A1 (en) | 2003-04-07 | 2003-04-07 | Piston engine to operate for thermal engines and pumps has working areas and partial pistons per working area run at an angle to each other |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10315833A1 true DE10315833A1 (en) | 2004-10-21 |
Family
ID=33016193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2003115833 Withdrawn DE10315833A1 (en) | 2003-04-07 | 2003-04-07 | Piston engine to operate for thermal engines and pumps has working areas and partial pistons per working area run at an angle to each other |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE10315833A1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10697517B2 (en) | 2015-07-22 | 2020-06-30 | Shamir Shmuel Snir | Modular multiengine system |
US11661999B2 (en) | 2015-07-22 | 2023-05-30 | Shamir Shmuel Snir | Modular multiengine system |
-
2003
- 2003-04-07 DE DE2003115833 patent/DE10315833A1/en not_active Withdrawn
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US10697517B2 (en) | 2015-07-22 | 2020-06-30 | Shamir Shmuel Snir | Modular multiengine system |
US11661999B2 (en) | 2015-07-22 | 2023-05-30 | Shamir Shmuel Snir | Modular multiengine system |
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---|---|---|---|
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |