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EP0240467A1 - Rotating-reciprocating machine - Google Patents

Rotating-reciprocating machine Download PDF

Info

Publication number
EP0240467A1
EP0240467A1 EP87810206A EP87810206A EP0240467A1 EP 0240467 A1 EP0240467 A1 EP 0240467A1 EP 87810206 A EP87810206 A EP 87810206A EP 87810206 A EP87810206 A EP 87810206A EP 0240467 A1 EP0240467 A1 EP 0240467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cylinder
movement
stroke
axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP87810206A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0240467B1 (en
Inventor
Iso Wyrsch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AT87810206T priority Critical patent/ATE68556T1/en
Publication of EP0240467A1 publication Critical patent/EP0240467A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0240467B1 publication Critical patent/EP0240467B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/0079Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis having pistons with rotary and reciprocating motion, i.e. spinning pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01BMACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B3/00Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis
    • F01B3/04Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces
    • F01B3/06Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal
    • F01B3/08Reciprocating-piston machines or engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main shaft axis the piston motion being transmitted by curved surfaces by multi-turn helical surfaces and automatic reversal the helices being arranged on the pistons
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/26Engines with cylinder axes coaxial with, or parallel or inclined to, main-shaft axis; Engines with cylinder axes arranged substantially tangentially to a circle centred on main-shaft axis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/025Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle two
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/02Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke
    • F02B2075/022Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle
    • F02B2075/027Engines characterised by their cycles, e.g. six-stroke having less than six strokes per cycle four
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B3/00Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition
    • F02B3/06Engines characterised by air compression and subsequent fuel addition with compression ignition

Definitions

  • the key points of the rotary reciprocating piston machine are the simple conversion of the reciprocating motion of the piston into a rotary motion, which creates a rotary and reciprocating motion.
  • valves are superfluous, not only with 2-stroke but also with 4-stroke engines and pumps and compressors.
  • the lifting movement can also be converted electrically instead of mechanically and directly generate electrical energy (or vice versa).
  • the "rotary piston machine” is a reciprocating piston machine or a free piston machine, with additional rotary movement of the piston. If the stroke is mechanically limited, it is a reciprocating piston machine, otherwise (for example, when the piston movement is generated electrically according to claim 4) it is by definition a free-piston machine. However, since the typical main feature of the machine is the rotary stroke movement of the piston, the name “rotary piston machine” is chosen.
  • the piston rod can be rotatably connected (axial bearing) to the crosshead and the piston rod and piston can be rotated from the outside, or the piston can be rotated by a built-in additional drive (electric motor etc.) etc. etc.
  • Figure 2 shows a schematic example of this.
  • the rotary movement can be matched to the stroke movement. (See also claims 9, 10, 18, 19).
  • the rotary movement of the piston preferably takes place as a continuous rotation because of the inertia.
  • a rotary movement with a periodically alternating direction of rotation is also useful, which allows very large openings.
  • Lubrication See point 26.
  • the pre-compressor is fully integrated in the rotary piston machine.
  • the rotary reciprocating machine does not get bigger as a result.
  • Hardly any additional weight Almost all parts are already available.
  • the pre-compressor piston attached to the shaft is actually the only additional component.
  • Simple and cheap. The gas cushion in the pre-compressor improves the smooth running of the machine under certain conditions.
  • the outlet control via the rotary piston enables different systems to be fed with different pressure levels. (See also claim 16).
  • the rotary piston (item 2) rotates together with the through shaft (14) and the rotating piston (item 5).
  • the only rotating pistons (5) are firmly connected to the shaft (14).
  • the rotating rotary piston is forced by the cam track (item 3) to make an additional longitudinal (stroke) movement.
  • the rotary piston is therefore longitudinally displaceable on a shaft; however, it can still transmit a torque to the shaft (not visible in the picture, dealt with in claims 21, 22, 23).
  • the integrated pre-compressor mainly consists of the rotating pre-compressor piston (item 31). This is located in the inner cavity of the rotary piston (2). It is firmly connected to the shaft (14), so it does not make any lifting movement.
  • the oscillating stroke movement of the rotary piston (2) therefore causes the working medium located there to be compressed to the left and right of the pre-compressor piston.
  • a pump with slot control of the inlets and outlets with the rotary piston (for example according to claim 2) can be built with only one moving part: the rotary piston !!
  • the rotary piston machine works, for example, as an internal combustion engine.
  • the lifting forces on the pistons generate electrical energy.
  • the rotary motion is superimposed on the piston by the magnetic forces. Control of the gas exchange according to claim 1 or 2 is thus also possible.
  • the rotary movement can be generated in exactly the same way as with conventional electric motors (this also applies analogously to electrical generators). All known types with direct current, alternating current, three-phase current, single-pole, multi-pole or types as stepper motors, etc. can be used. Due to the shape of the armature, the rotary movement also results in the stroke movement of the piston: the stator guides the adjacent outer surface of the armature at one or more points by magnetic forces. See example in Figure 17: The top of the stator is where it guides the outer surface of the armature. At the bottom, the field of the stator is much wider axially. The axial movement of the outer surface of the armature is permitted there.
  • the possible axial force on the armature can be increased as follows:
  • the stator not only acts with axial forces on the outer surface of the armature where it guides the armature. It also supports the relative axial movement of the armature outer surface to the stator at other points by driving forces. These driving forces oscillate in accordance with the movement of the surface of the armature. Not only do they cause greater possible axial forces, they can also support the rotary movement.
  • Anchors made of magnetizable but not permanently magnetic material, without coils on the anchor :
  • the armature can be magnetized by the stator, but they migrate with magnetic poles on the anchor. Due to the special shape of the armature according to claim 4, such electric motors can be realized. See Figures 18 to 21. At at least one point, the stator acts with a strong field on the armature and magnetizes the armature. This creates a whole number of magnetic pole pairs on the armature, ie an even number of magnetic poles. The driving forces do not work in a purely tangential direction, as with a conventional electric motor.
  • NB The radial force component between the stator pole and armature is taken for granted and is therefore not mentioned here.
  • the driving forces of the stator act primarily in the axial direction. However, a tangential force component is also required to generate the rotary movement. Due to the shape of the anchor, this tangential force component is created automatically, unless the anchor is in a dead center of movement. For this reason, the machine in Figure 18 has, for example, an auxiliary winding (46) for starting the machine.
  • the machine in Figure 19 has a guide pole (44) and three points on the stator that drive the armature. The driving poles are controlled so that the armature continuously follows the attractive forces of the driving magnetic fields. As shown in Figures 20 and 21, two lifting cycles per revolution occur.
  • the shape of the anchor is shown in perspective in Figure 22.
  • Figure 20 we have two guide poles (44).
  • the relative movement of the armature outer surface to the stator has “nodes” at these points.
  • This machine also needs a starting device (not shown) for starting from the position shown.
  • Such machines with several (ideally min. 3) magnetic poles on the stator, which attract the armature with magnetic forces, can also be easily used to guide the armature in the radial direction:
  • the distance between armature and stator becomes electronic, for example regulated and kept constant by varying the magnetic forces.
  • this device also serves as a magnetic, practically frictionless magnet warehouse. With two such devices, the shaft or the piston is stored cleanly.
  • the stroke length and the form of movement can be varied by detaching the anchor from a guide point or by changing guide points. (This also applies to variant a with coils in the armature). By adjusting the stroke length of the piston, the delivery rate can be adjusted for pumps, for example. (See also claim 20).
  • the operation of the electric rotary reciprocating machine in the most common designs with the different types of current can be found in claim 9.
  • Alternative design The stator on the outside has the described functions and features of the armature. Similarly, the armature has the descriptive functions and features of the stator. This can be imagined as follows: If you exchange the words "stator" and "anchor" with each other, you get an analog but different design.
  • the outer surface of the armature is then to be understood analogously as the inner surface of the stator.
  • the external stator has the oblique or curved shape as described above for the armature.
  • the anchor guides and drifts with its magnet fields the stator so that the stator makes a rotary-lifting movement relative to the armature, etc. In most cases this is the less favorable design: the external stator is usually stationary relative to the surroundings. This makes it easier to supply power to the stator than to the rotating armature. - And this is a big advantage of this system with an anchor without coils.
  • a swashplate-like shaft and transmission element result in a torque from the lifting force or vice versa. So that the piston, the swash plate-like shaft and the guide element are not hindered in their movements, the connection between the transmission element and the cylinder is articulated.
  • the exact geometric requirements are described in claim 5.
  • Examples 1 and 6 show three examples of many possibilities.
  • the example in Figure 1 works without a ball joint with two interlocking joints. The inner joint only transmits radial forces and is axially displaceable. The outer joint with the axis of rotation perpendicular to the plane of the drawing also transfers axial forces. (NB: central shaft (14) see claims 21 and 22).
  • the swashplate-like shaft is molded into the piston.
  • the joint is designed as a ball joint.
  • Figures 6 a and b differ only in the different types of compensation for the longitudinal displacement of the joint point. In the positions shown, the pivot point is closest to the cylinder axis. After a quarter turn, the pivot point has moved a little away from the cylinder axis.
  • the arrangement of two such devices per rotary piston is also possible here. This can compensate for the eccentric application of force to the piston.
  • the cylinder part surrounding the hollow shaft and the hollow shaft are designed as an electric motor or an electric generator. (Claim 12) -
  • the rotation of the hollow shaft can be transmitted directly to the outside by, for example, the hollow shaft carrying a ring gear which is in engagement with another gear or a gear.
  • a spatial cam track (Fig. 9..11, item 3) is responsible for the piston movement, for example in the form of a cam disc or a circumferential groove, which is supported on guides (4), such as rollers or sliders.
  • the spatial cam track (item 3) is normally directly connected to the piston (2) and reproduces the stroke kinematics "program" stored in its cam shape with every turn.
  • the reverse arrangement is also conceivable, namely the guides on the piston and the cam track attached to the cylinder.
  • any integer number of lifting cycles per full revolution is possible - and any kinematics of the movement. If there are several lifting cycles per revolution, several guides can also be installed on the circumference. This prevents an eccentric force attack on the piston.
  • Claim 13 solves the following problem: Figure 13 clearly shows that the cam tapered and thickened again. This is due to a fixed attachment of the guide rollers. With a rocker (Fig. 12) the thickness of the cam remains constant over the entire circumference.
  • the classic crank mechanism in the reciprocating piston machine drives the piston in a temporally sinusoidal stroke movement with superimposed harmonics.
  • the piston thus remains somewhat longer in the area of bottom dead center than in the area of top dead center.
  • a different course of the piston movement ie a different stroke kinematics, would be desirable.
  • the lifting kinematics of the rotary reciprocating machine according to claims 4, 9, 7 and 13 can be chosen freely and match the application. In the other claims regarding the generation of the piston movement, the lifting kinematics can also be selected to a certain extent. Claim 18 mentions the geometric sizes with which the lifting kinematics of these systems are influenced. Application examples are also listed.
  • the purpose of changing the synchronization between piston rotation and the lifting movement can be, for example: - Adaptation of the control times to the operating point of the machine (speed, load etc.) - Switching the control times to reverse running for engines without a reverse gear (e.g. large marine diesel).
  • Stroke length adjustment devices are normally used to change the delivery volume of a pump or the displacement volume of a (hydraulic) motor, for example in hydrostatic transmissions.
  • the shaft takes part in the stroke movement of the piston and then compensate for the stroke movement of the shaft at another point, for example on the front of the machine.
  • the shaft is easily sealed, for example with rod seals (analogous to the piston rings on the reciprocating piston engine, but with an internal seal!).
  • Diaphragms or bellows can also transmit the torque with their torsional rigidity (and strength). They take up the stroke movement with their high elasticity in the axial direction. These designs are very cheap and practically frictionless.
  • Piston shapes according to Figure 5 c..e are suitable for this, for example. Piston shape and stroke length must be coordinated so that the pistons remain engaged with each other at every stroke position. In order to reduce the friction, the force can be transmitted indirectly via rolling elements instead of directly via sliding surfaces lie between the two piston surfaces.
  • the rotation of the piston on the cylinder wall can be used to achieve a hydrodynamic lubrication state (floating on the lubrication film).
  • Mixed friction usually occurs here with the conventional reciprocating piston engine. In addition, this increases the ability to absorb any lateral forces that may be present.
  • the conventional crank mechanism generates a transverse force on the piston, which changes in amount and direction with the crankshaft rotation (cause of the piston tipping). With the rotary reciprocating machine, it depends on the type of construction whether lateral forces occur at all: Shear forces are present on the machines with only one stroke cycle per revolution and only one device for generating movement per piston (exception: certain types of claim 4).
  • the eccentric force application creates a moment on the piston, which manifests itself as a pair of transverse forces.

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Abstract

The rotating and alternating piston machine is an alternating or free piston machine in which the pistons effect a rotating and alternating movement. Main characteristics: 1) the use of rotation or alternation/rotation, for example in order to control the ports provided in the cylinder walls of two- and four-stroke engines, pumps and compressors; 2) simple conversion of rotating and alternating movement by mechanical or electrical means. The rotating and alternating piston machine offers the possibility of: pumps, including the electric drive, in which there is only one rotating part; direct conversion of the alternating movement of the piston into electrical energy; control of the gas movement by the piston; operation of other ports having specific functions (for example, introducing additional compressed gas, discharge ports operating in succession etc.); free selection of the number of piston strokes per rotation; choice of piston stroke kinematics; powerful rotation or swirling of charge; easily designed compact and inexpensive machines; possible integration of a compressor without having to provide for an additional volume and virtually without any weight increase. In the two-stroke combustion engine, in which the gas exchange is controlled by the pistons (2 and 5), the useful power is available at the central shaft (14), which carries the rotating and alternating piston (2) in a longitudinally-slidable but rotationally-fixed manner. Movement is converted by the oscillating shaft (35) and transmission element (38). The engine is provided with four working chambers and has a 100% mass balance.

Description

Kernpunkte der Dreh-Hubkolben-Maschine sind die einfache Um­wandlung der Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht. Zudem die Ausnützung dieser Kolbenbewegung für die direkte Steuerung des Ladungs­wechsels durch den Kolben: Ventile werden überflüssig, nicht nur bei 2-Takt- sondern auch bei 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichtern.
Nach demselben Bewegungsprinzip kann man die Hubbewegung statt mechanisch auch elektrisch umwandeln und dabei direkt elektrische Energie erzeugen (bzw. umgekehrt).
Mit nur einem Zylinder und zwei hin- und hergehenden Kolben erhält man schon eine Maschine mit vier Arbeitsräumen (ent­sprechend einer konventionellen Vierzylinder-Maschine), und einen hundertprozentigen Massenausgleich. (Beispiel Bild 1). Mit zusätzlichen inneren Arbeitsräumen kommen bei der selben Maschine nochmals vier Arbeitsräume dazu.
Für die Umwandlung der Kolbenbewegung sind mehrere verschie­dene Lösungen aufgeführt. (siehe Bild 1, 6..8, 9..13).
Neben der Kompaktheit und Einfachheit der Maschine ist, wegen den sehr grosszügigen Oeffnungen für den Ladungswechsel, eine sehr hohe Leistung und Effizienz zu erwarten.
Auf weitere Dinge, Verwirbelung der Ladung bei Verbrennungs­motoren, usw., wird im folgenden noch eingegangen.
The key points of the rotary reciprocating piston machine are the simple conversion of the reciprocating motion of the piston into a rotary motion, which creates a rotary and reciprocating motion. In addition, the use of this piston movement for the direct control of the gas exchange by the piston: valves are superfluous, not only with 2-stroke but also with 4-stroke engines and pumps and compressors.
According to the same principle of movement, the lifting movement can also be converted electrically instead of mechanically and directly generate electrical energy (or vice versa).
With just one cylinder and two reciprocating pistons, you get a machine with four working spaces (equivalent to a conventional four-cylinder machine) and a 100% mass balance. (Example picture 1). With additional inner work spaces, another four work spaces are added to the same machine.
Several different solutions are listed for converting the piston movement. (see picture 1, 6..8, 9..13).
In addition to the compactness and simplicity of the machine, a very high level of performance and efficiency can be expected due to the very generous openings for changing loads.
Other things, swirling of the load in internal combustion engines, etc., will be discussed below.

Zur Namensgebung: Die "Dreh-Hubkolben-Maschine" ist eine Hubkol­benmaschine oder eine Freikolbenmaschine, mit zusätzlicher Dreh­bewegung des Kolbens. Bei mechanischer Begrenzung des Hubs ist sie eine Hubkolbenmaschine, sonst (z.B. bei elektrischer Erzeu­gung der Kolbenbewegung nach Anspruch 4) ist sie definitionsge­mäss eine Freikolbenmaschine. Da jedoch das typische Hauptmerk­mal der Maschine die Dreh-Hubbewegung des Kolbens ist, wird der Name "Dreh-Hubkolben-Maschine" gewählt.To give the name: The "rotary piston machine" is a reciprocating piston machine or a free piston machine, with additional rotary movement of the piston. If the stroke is mechanically limited, it is a reciprocating piston machine, otherwise (for example, when the piston movement is generated electrically according to claim 4) it is by definition a free-piston machine. However, since the typical main feature of the machine is the rotary stroke movement of the piston, the name "rotary piston machine" is chosen.

Der Ablauf der Beschreibung ist nach der Reihenfolge der Patent­ansprüche geordnet. Die Nummern am Anfang der folgenden Ab­schnitte beziehen sich auf die entsprechenden Patentansprüche. Abhängige Ansprüche, die sich spezifisch nur auf einen Anspruch beziehen, werden im Zusammenhang behandelt.The course of the description is arranged according to the order of the claims. The numbers at the beginning of the following sections refer to the corresponding claims. Dependent claims that relate specifically to only one claim are treated in context.

Steuerung des LadungswechselsControl of the gas exchange

1. Der Wirkungsgrad jeder Kolbenmaschine hängt entscheidend von der Güte des Ladungswechsels ab. Herkömmliche Ventile lassen nur einen relativ kleinen Querschnitt frei und müssen umständ­lich geöffnet und geschlossen werden.
Aufgabenstellung war deshalb eine Kolbenmaschine mit direkter Steuerung von Oeffnungen in der Zylinderwand durch den Kolben. (Oft auch "Schlitzsteuerung" genannt). Die Lösung soll sich für alle bekannten Arbeitsverfahren und Anwendungen eignen, also auch für Maschinen, die das Arbeitsmedium im Zylinder drin ver­dichten. Diese Forderung verlangt, dass der Arbeitsraum beim ob­eren Hubtotpunkt auf ein beliebig kleines Endvolumen verkleinert werden kann.
Die Dreh-Hubkolben-Maschine nach Anspruch 1 erfüllt diese Aufga­be. Dabei spielt die Kolbendrehung eine wichtige Rolle:
Die dem Arbeitsraum zugewandte Kolbenoberfläche wird so gestal­tet, wie in Anspruch 1 geometrisch definiert.
Anschauliche Beispiele zeigt Bild 5.
Mit solchen Formen werden die Oeffnungen in der Zylinderwand nicht nur durch die Hubbewegung, sondern vor allem auch durch die Kolbendrehung, zugedeckt und abgedeckt. (Dies im Unterschied zum konventionellen schlitzgesteuerten 2-Takt-Motor, bei dem nur die Hubbewegung des Kolbens die Oeffnungen steuert!).
Siehe Bild 3 und 4.
Damit wird also nicht nur der Ladungswechsel beim schlitzge­steuerten 2-Takt-Motor bedeutend effizienter (asymmetrische Steuerzeiten möglich), es lassen sich jetzt auf diese Weise auch 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichter bauen.
Erzielung des kleinen Endvolumens (oft auch "Endkompressions­volumen" genannt):
Man begrenzt den Arbeitsraum auf der einen Seite durch den Dreh-­Hubkolben und auf der andern Seite auch durch einen Kolben, der synchron mitdreht, aber keine Hubbewegung auszuführen braucht. Im oberen Totpunkt passt die Oberflächenform des einen Kolbens in die als Negativform ausgebildete Oberfläche des andern Kol­bens. Dieser nur mitdrehende zweite Kolben kann ebenfalls Oeff­nungen für den Ladungswechsel steuern. (Bild 1, 13 und 5)
Zweite Variante:
Der Arbeitsraum wird von zwei Stirnflächen begrenzt: Auf der ei­nen Seite durch den Kolben, der eine Dreh- oder Dreh-Hubbewegung macht, auf der andern Seite durch eine nicht mitdrehende Stirn­fläche. Diese kann ein nicht drehender Kolben oder auch der Zy­linderkopf sein. Um ein kleines Endvolumen zu erreichen, müssen diese Flächen ebenfalls so ineinanderpassen, wie oben beschrie­ben. Damit nun im oberen Hubtotpunkt diese beiden Stirnflächen nicht miteinander zusammenstossen, werden folgende Massnahmen getroffen:
In dieser Stellung darf keine oder nur eine so geringe Drehbewe­gung stattfinden, wie es der Abstand zwischen den beiden Stirn­flächen und die Form der Stirnflächen erlaubt. Dies erreicht man durch nicht kontinuierliche Kolbendrehung, durch mehrere Hubzyk­len pro Umdrehung und/oder durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten.
Radialkräfte infolge des Druckes im Arbeitsraum werden nachfol­gend zusammen mit Anspruch 2 beschrieben.
1. The efficiency of every piston machine depends crucially on the quality of the gas exchange. Conventional valves leave only a relatively small cross section free and have to be opened and closed with great difficulty.
The task was therefore a piston machine with direct control of openings in the cylinder wall by the piston. (Often also called "slot control"). The solution should be suitable for all known working processes and applications, including machines that compress the working medium in the cylinder. This requirement requires that the working space at the upper stroke dead center can be reduced to an arbitrarily small final volume.
The rotary piston machine according to claim 1 fulfills this task. The piston rotation plays an important role here:
The piston surface facing the working space is designed as geometrically defined in claim 1.
Illustrative examples are shown in Figure 5.
With such shapes, the openings in the cylinder wall are covered and covered not only by the stroke movement, but above all also by the piston rotation. (This is in contrast to the conventional slot-controlled 2-stroke engine, in which only the stroke movement of the piston controls the openings!).
See pictures 3 and 4.
This means that not only is the charge change in the slot-controlled 2-stroke engine significantly more efficient (asymmetrical control times possible), it is now also possible to build 4-stroke engines and pumps and compressors in this way.
Achieving the small final volume (often called "final compression volume"):
The working space is limited on one side by the rotary piston and on the other side by a piston that rotates synchronously but does not need to perform a lifting movement. At the top dead center, the surface shape of one piston fits into the surface of the other piston, which is designed as a negative shape. This second piston, which only rotates, can also control openings for the gas exchange. (Picture 1, 13 and 5)
Second variant:
The working space is delimited by two end faces: on the one hand by the piston, which makes a rotating or rotating stroke movement, on the other by a non-rotating end face. This can be a non-rotating piston or the cylinder head. To achieve a small final volume, these areas must also fit into one another as described above. The following measures are taken so that these two end faces do not collide at the top dead center of the stroke:
In this position, no or only a slight rotary movement may take place as the distance between the two end faces and the shape of the end faces allows. This is achieved by discontinuous piston rotation, by several stroke cycles per revolution and / or by appropriate shaping of the end faces.
Radial forces due to the pressure in the work space are described below together with claim 2.

Zum Thema Kolbenbewegung: Ueber die Erzeugung der Dreh-Hubbewe­gung wird in diesem Anspruch nichts erwähnt. Einfache, kompakte Lösungen dafür sind Inhalt weiterer unabhängiger Patentansprü­che.
Theoretisch gibt es zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung fast un­endliche Möglichkeiten. Viele sind bekannt oder lassen sich aus dem Stand der Technik folgendermassen einfach herleiten: Man er­ zeugt auf bekannte Weise eine oscillierende Hubbewegung und fügt dem Kolben mit einer andern bekannten Vorrichtung eine beliebige Drehbewegung hinzu. Beispiel:
Grosse Schiffs-Dieselmotoren werden heute meist in der Bauart als Kreuzkopf-Hubkolbenmotoren gebaut. Eine zusätzliche Kolben­rotation kann dabei auf verschiedenste Arten erzeugt werden. Z.B. kann man die Kolbenstange drehbar (Axiallager) mit dem Kreuzkopf verbinden und von aussen her Kolbenstange und Kolben in Rotation versetzen, oder die Kolbendrehung durch einen einge­bauten Zusatzantrieb (Elektromotor etc.) bewirken usw. usf.
Bild 2 zeigt ein schematisches Beispiel dafür.
Die Drehbewegung kann dabei beliebig auf die Hubbewegung abge­stimmt werden. (Siehe auch Ansprüche 9,10,18,19).
Vorzugsweise erfolgt die Drehbewegung des Kolbens als kontinu­ierliche Rotation, wegen der Massenträgheit. Jedoch ist auch eine Drehbewegung mit periodisch hin- und herwechselnder Dreh­richtung sinnvoll, welche sehr grosse Oeffnungen erlaubt.
Schmierung: Siehe Punkt 26.
Abdichtung: Durch Kolbenringe, welche der Form der Steuerkante angepasst sind, für eher untergeordnete Zwecke mit konventio­nellen Kolbenringen oder mit Labyrinthdichtung (Rillen).
Ideal: Kolbenringlos durch einen Kolben aus Keramik oder einem anderen Werkstoff, welcher nur eine kleine Wärmeausdehnung auf­weist. Der Kolben läuft dann mit minimaler Passung im Zylinder und benötigt keine weiteren Dichtelemente mehr.
On the subject of piston movement: nothing is mentioned in this claim about the generation of the rotary stroke movement. Simple, compact solutions for this are the content of further independent patent claims.
Theoretically, there are almost infinite possibilities for generating the rotary stroke movement. Many are known or can easily be derived from the prior art as follows: Man he produces an oscillating stroke movement in a known manner and adds an arbitrary rotary movement to the piston with another known device. Example:
Large ship diesel engines are mostly built today as cross-head reciprocating engines. An additional piston rotation can be generated in various ways. For example, the piston rod can be rotatably connected (axial bearing) to the crosshead and the piston rod and piston can be rotated from the outside, or the piston can be rotated by a built-in additional drive (electric motor etc.) etc. etc.
Figure 2 shows a schematic example of this.
The rotary movement can be matched to the stroke movement. (See also claims 9, 10, 18, 19).
The rotary movement of the piston preferably takes place as a continuous rotation because of the inertia. However, a rotary movement with a periodically alternating direction of rotation is also useful, which allows very large openings.
Lubrication : See point 26.
Sealing : Through piston rings, which are adapted to the shape of the control edge, for rather subordinate purposes with conventional piston rings or with a labyrinth seal (grooves).
Ideal: without a piston ring thanks to a piston made of ceramic or another material that only has a small thermal expansion. The piston then runs with a minimal fit in the cylinder and no longer requires any further sealing elements.

2. Aufgabenstellung: Eine Kolbenmaschine mit Schlitzsteuerung durch den Kolben, welche auch bei hohem Druck des Arbeitsmediums mit geringer Reibung arbeitet. Sie soll einfach und für alle An­wendungen geeignet sein, die nicht ein kleines Endvolumen erfor­dern.
Lösung: Eine Dreh-Hubkolben-Maschine, bei welcher der Kolben eine Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen steuert, wobei die Kolbengeometrie zwei typische Merkmale aufweist:
Erstens ist die Kolbenstirnseite so geformt, dass die Oeffnungen in der Zylinderwand nicht nur durch die Hubbewegung, sondern vor allem auch durch die Drehbewegung des Dreh-Hubkolbens gesteuert werden.
Zweitens: Eine geringe Reibung wird erreicht, indem der Kolben zugleich auch so geformt ist, dass der Druck des Arbeitsmediums auf die Kolbenstirnseite nur eine resultierende Axialkraft auf den Kolben bewirkt. Durch die spezielle Formgebung heben sich die radialen Querkraftkomponenten gegenseitig auf.
Beispiele: Bild 5: Kolbenform a und b weisen das zweite Merkmal nicht auf, die übrigen Kolben in Bild 5 sind "querkraftfrei" und erfüllen die Anforderungen. Das zweite Merkmal bedingt übri­gens nicht zwangsläufig eine Symmetrie der Kolbenstirnfläche.
2. Task: A piston machine with slot control by the piston, which works with low friction even with high pressure of the working medium. It should be simple and suitable for all applications that do not require a small final volume.
Solution: A rotary-reciprocating machine, in which the piston performs a rotary-stroke movement and controls the openings, whereby the piston geometry has two typical features:
First, the piston face is shaped in such a way that the openings in the cylinder wall are controlled not only by the stroke movement, but above all by the rotary movement of the rotary stroke piston.
Secondly, low friction is achieved by simultaneously shaping the piston so that the pressure of the working medium on the piston end only causes a resulting axial force on the piston. Due to the special shape, the radial shear force components cancel each other out.
Examples: Figure 5: Piston shapes a and b do not have the second characteristic, the other pistons in Figure 5 are "free of lateral forces" and meet the requirements. Incidentally, the second feature does not necessarily require symmetry of the piston face.

3.und 8. Integrierte Kolbenmaschine im Innern des Dreh-Hub­kolbens, integrierter Vorverdichter 3rd and 8th Integrated piston engine inside the rotating-stroke piston, integrated supercharger

Möglichkeiten der Vorverdichtung (Aufladung) bei der Dreh-Hub­kolben-Maschine:

  • a) mittels Turbo oder Kompressor
  • b) mit einem in die Dreh-Hubkolben-Maschine integrierten, mechanischen Vorverdichter.
Possibilities of pre-compression (charging) on the rotary reciprocating machine:
  • a) using turbo or compressor
  • b) with a mechanical pre-compressor integrated in the rotary reciprocating machine.

Funktion des integrierten Vorverdichters:Function of the integrated pre-compressor:

siehe als Beispiel Prinzipskizze Bild 16 und die ausführliche Beschreibung auf der übernächsten Seite.
see example sketch of Fig. 16 and the detailed description on the next but one page.

Allgemeine Vorteile des integrierten Vorverdichters:General advantages of the integrated pre-compressor:

- Platzbedarf gleich Null: Der Vorverdichter ist völlig in der Dreh-Hubkolben-Maschine integriert. Die Dreh-Hubkolben-­Maschine wird dadurch nicht grösser.
- Kaum Mehrgewicht: Fast alle Teile sind schon vorhanden. Der auf der Welle befestigte Vorverdichterkolben ist eigentlich das einzige zusätzliche Bauteil.
- Einfach und billig.
- Das Gaspolster im Vorverdichter verbessert unter gewissen Voraussetzungen die Laufruhe der Maschine.
- Die Auslasssteuerung durch den Dreh-Hubkolben ermöglicht es, verschiedene Systeme mit unterschiedlichen Druckniveaus zu speisen. (Siehe hierzu auch Anspruch 16).
- Zero space requirement: the pre-compressor is fully integrated in the rotary piston machine. The rotary reciprocating machine does not get bigger as a result.
- Hardly any additional weight: Almost all parts are already available. The pre-compressor piston attached to the shaft is actually the only additional component.
- Simple and cheap.
- The gas cushion in the pre-compressor improves the smooth running of the machine under certain conditions.
- The outlet control via the rotary piston enables different systems to be fed with different pressure levels. (See also claim 16).

AnwendungenApplications

- Zweistufige Kompressoren/ Verdichter.
- Pumpen oder Verdichten verschiedener Medien mit einer einzi­gen, kompakten Maschine, usw.
- Two-stage compressors.
- Pump or compress different media with a single, compact machine, etc.

Diskussion: Anwendung bei (Dreh-Hubkolben-)VerbrennugnsmotorenDiscussion: Use in (rotary reciprocating) internal combustion engines

  • 1) Einsatz als machanischer Lader.
    Gleiche Funktion wie ein externer mechanischer Kompressor.
    1) Use as a mechanical loader.
    Same function as an external mechanical compressor.
  • 2) Unterstützung des Gaswechsels bei Zweitaktmotoren. - In Analogie zur bekannten Vorverdichtung des Ansauggemischs im Kurbelgehäuse heutiger Zweitakt-Kleinmotoren.2) Support for gas exchange in two-stroke engines. - In analogy to the known pre-compression of the intake mixture in the crankcase of today's two-stroke small engines.
  • 3) Turbulenz, Schichtladung, Magermotor:
    (N.B: Anspruch 8 ist die Integreation der inneren Kobenma­schine (integrierter Vorverdichter) in eine Dreh-Hubkolben-­Maschine mit Steuerung des Ladungswechsels gemäss Anspruch 1 oder 2.)
    Es wird nur ein Teil der Ansaugluft dem Vorverdichter einge­spiesen. Nach Verlassen des Vorverdichters gelangt diese re­lativ stark komprimierte "Zusatzluft" auf folgende Weise in den Dreh-Hubkolben-Motor:
    Nach Beendigung des normalen Ansaugvorgangs wird sie durch einen vom Ansaugschlitz getrennten Schlitz eingeblasen.
    Wirkung:
        - Starke Turbulenz
        - Verbesserung der Füllung.
    Den Zeitpunkt des Einblasens kann man optimieren.
    Brennstoff-Einspritzung in die Einblasluft ist sinnvoll.
    Stellen Sie sich nun folgendes vor:
      Der Zylinder ist mit reiner Luft gefüllt. Kurz vor dem Zünden wird eine "Wolke" aus reichem, gut zündfähigem Ben­zin-Luft-Gemisch gegen die Zündkerze hingeblasen.
    Der geneigte Leser weiss, was dies bedeutet:
        - Schichtladung in höchstem Masse und damit
        - gutes Verbrennen eines insgesamt extrem mageren Gemischs,
        - entsprechend extrem niedrige Verbrauchs- und Abgaswerte.
    3) Turbulence, stratified charge, lean engine:
    (NB: Claim 8 is the integration of the inner piston machine (integrated precompressor) into a rotary piston machine with control of the gas exchange according to claim 1 or 2.)
    Only part of the intake air is fed to the pre-compressor. After leaving the pre-compressor, this relatively strongly compressed "additional air" reaches the rotary piston engine in the following way:
    After the normal suction process is completed, it is blown through a slot that is separate from the suction slot.
    Effect:
    - Strong turbulence
    - Improve the filling.
    The time of blowing in can be optimized.
    Fuel injection into the blowing air makes sense.
    Now imagine the following:
    The cylinder is filled with pure air. Shortly before ignition, a "cloud" of rich, easily ignitable gasoline-air mixture is blown against the spark plug.
    The inclined reader knows what this means:
    - Stratified charge in the highest degree and thus
    good combustion of an overall extremely lean mixture,
    - correspondingly extremely low consumption and exhaust gas values.
  • 4) Mit Vorverdichter aufgeladener Magermotor:
    Für eine eigentliche Aufladung empfiehlt es sich, die gesamte Ansaugluft vorzuverdichten. Der Vorverdichter kom­primiert zusätzlich einen kleinen Teil der Luft auf den höheren Einblasdruck. (Kombination von 1) 3) und 16)).
    4) Lean engine charged with pre-compressor:
    For actual charging, it is recommended to pre-compress all of the intake air. The pre-compressor also compresses a small part of the air to the higher injection pressure. (Combination of 1) 3) and 16)).
  • 5) Für hohe Aufladung (bei Dieselmotoren) verwendet man am besten Abgas-Turbo- oder Druckwellenlader. Vorteil: Aus­nützung der Abgasenergie. Der integrierte Vorverdichter komprimiert dann einen Teil der Ladeluft auf den höheren Einblasdruck.5) For high charging (for diesel engines) it is best to use exhaust gas turbo or pressure wave superchargers. Advantage: Use of the exhaust gas energy. The integrated pre-compressor then compresses part of the charge air to the higher injection pressure.
  • 6) Weitere Anwendungen:
    - Speisung von Servoaggregaten mit Druckluft.
    - Verwendung als integrierte Pumpe anstatt als Verdichter (z.B. als Oelpumpe, Hydraulikpumpe, etc.).
    6) Other applications:
    - Feeding servo units with compressed air.
    - Use as an integrated pump instead of as a compressor (e.g. as an oil pump, hydraulic pump, etc.).
KonstruktivesConstructive

- Rückschlagventile im Vorverdichterkolben bei der Bauart mit Ansaugen durch Hohlwelle: Diese werden der Arbeitsart oder dem Arbeitsmedium angepasst. Ausführung als Kugel-, Klappen- ­oder Federlippenventile usw.
- Die Form der Kolbenstirnseite des Vorverdichterkolbens ist wählbar. Es können sehr hohe Kompressionen erreicht werden.
- Die gesamte Konzeption eignet sich vorzüglich zur Verwendung exotischer Materialien wie Keramik, Hartstoffe usw.
- Check valves in the pre-compression piston for the type with suction through hollow shaft: These are adapted to the type of work or the working medium. Execution as ball, flap or spring lip valves etc.
- The shape of the piston face of the pre-compressor piston can be selected. Very high compressions can be achieved.
- The entire concept is ideally suited for the use of exotic materials such as ceramics, hard materials, etc.

Dreh-Hubkolben-Maschine mit integriertem Vorverdichter (Beschreibung zur Prinzipskizze Bild 16) Rotary reciprocating machine with integrated pre-compressor ( description of the schematic diagram, figure 16)

Der Dreh-Hubkolben (Pos 2) rotiert zusammen mit der durchgehen­den Welle (14) und den rotierenden Kolben (Pos 5). Die nur ro­tierenden Kolben (5) sind fest mit der Welle (14) verbunden. Der rotierende Dreh-Hubkolben jedoch wird durch die Kurvenbahn (Pos 3) zu einer zusätzlichen Längs(Hub-)bewegung gezwungen. (Erzeugung der Dreh-Hubbewegung siehe Anspruch 7 oder auch die andern Ansprüche 5 und 6). Der Dreh-Hubkolben ist daher auf einer Welle längs verschiebbar; er kann aber trotzdem ein Drehmoment auf die Welle übertragen (im Bild nicht sichtbar, in den Ansprüchen 21, 22, 23 behandelt).
Der integrierte Vorverdichter besteht hauptsächlich aus dem rotierenden Vorverdichterkolben (Pos 31).
Dieser befindet sich im Innen-Hohlraum des Dreh-Hubkolbens (2). Er ist mit der Welle (14) fest verbunden, macht also keine Hub­bewegung. Die oscillierende Hubbewegung des Dreh-Hubkolbens (2) bewirkt daher links und rechts des Vorverdichterkolbens eine Verdichtung des sich dort befindlichen Arbeitsmediums.
The rotary piston (item 2) rotates together with the through shaft (14) and the rotating piston (item 5). The only rotating pistons (5) are firmly connected to the shaft (14). However, the rotating rotary piston is forced by the cam track (item 3) to make an additional longitudinal (stroke) movement. (For generation of the rotary stroke movement, see claim 7 or the other claims 5 and 6). The rotary piston is therefore longitudinally displaceable on a shaft; however, it can still transmit a torque to the shaft (not visible in the picture, dealt with in claims 21, 22, 23).
The integrated pre-compressor mainly consists of the rotating pre-compressor piston (item 31).
This is located in the inner cavity of the rotary piston (2). It is firmly connected to the shaft (14), so it does not make any lifting movement. The oscillating stroke movement of the rotary piston (2) therefore causes the working medium located there to be compressed to the left and right of the pre-compressor piston.

Strömungsverlauf:Flow course: Auslass:Outlet:

durch Schlitze in den Mantelflächen des Dreh-Hub­kolbens und des Zylinders. - Die Bewegung des Dreh-Hubkolbens relativ zum Zylinder steuert auto­matisch die Schlitze. (Prinzip ist von Schieber­steuerungen her bekannt).through slits in the lateral surfaces of the rotary piston and the cylinder. - The movement of the rotary piston relative to the cylinder automatically controls the slots. (Principle is known from slide controls).

Einlass:Inlet:

  • a) Einströmen durch die Mantelfläche nach dem selben Prinzip wie beim Auslass.a) Inflow through the lateral surface according to the same principle as for the outlet.
  • b) Einströmen durch die Hohlwelle und den Vorverdich­terkolben. Vorteil: Kühlung der Welle.
    Die Steuerung des Einlasses übernehmen Rückschlag­ventile. (Schmatische Skizze im Bild 16 Pos. 32)
    b) Inflow through the hollow shaft and the pre-compression piston. Advantage: cooling the shaft.
    Check valves are used to control the inlet. (Schematic sketch in Fig. 16 Item 32)
  • c) Kombination von a) und b).c) combination of a) and b).

Selbstverständlich wäre es auch möglich, den Auslass an Stelle des Einlasses durch die Hohlwelle zu führen.Of course, it would also be possible to pass the outlet through the hollow shaft instead of the inlet.

Erzeugung der Dreh-HubbewegungGeneration of the rotary stroke movement 4. und 9. "Elektrische" Dreh-Hubkolben-Maschine4th and 9th "Electric" rotary reciprocating machine

Anspruch 4 und 9: Diese Ansprüche zeigen, wie mit elektrischer Energie direkt die erwünschte Dreh-Hubbewegung erzeugt werden kann. Ebenso kann diese Maschine direkt die Dreh-Hubbewegung in elektrische Energie umwandeln.
In herkömmlichen Maschinen wird beispielsweise zuerst mit einem Elektromotor eine Welle in Rotation versetzt. Diese Wellenrota­tion treibt z.B. eine Pumpe. In der Pumpe muss die Wellenrota­tion mechanisch, z.B. mittels Kurbeltrieb, in eine Hubbewegung umgewandelt werden. Damit wird der Kolben bewegt.
Bei der Dreh-Hubkolben-Maschine mit Bewegungserzeugung gemäss Anspruch 4 oder 9 geschieht dies alles mit nur einer Maschine, einer "elektrischen Dreh-Hubkolben-Pumpe".
Claims 4 and 9: These claims show how the desired rotary stroke movement can be generated directly with electrical energy. This machine can also directly convert the rotary stroke movement into electrical energy.
In conventional machines, for example, a shaft is first set in rotation with an electric motor. This shaft rotation drives a pump, for example. In the pump, the shaft rotation must be converted mechanically, for example by means of a crank mechanism, into a stroke movement. This moves the piston.
In the rotary reciprocating machine with motion generation according to claim 4 or 9, all this happens with only one machine, an "electric rotary reciprocating pump".

Anwendungsbeispiele:Examples of use: - Als Motor:- As an engine:

Der elektrische Strom erzeugt direkt eine Dreh-Hub­bewegung. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Pumpe mit Schlitzsteuerung der Ein- und Auslässe mit dem Dreh-Hubkolben (bespielsweise gemäss An­spruch 2) mit nur einem einzigen beweglichen Teil gebaut werden: dem Dreh-Hubkolben!!The electric current directly generates a rotary stroke movement. In this way, for example, a pump with slot control of the inlets and outlets with the rotary piston (for example according to claim 2) can be built with only one moving part: the rotary piston !!

- Generator:- generator:

Die Dreh-Hubkolben-Maschine arbeitet beispielsweise als Verbrennungsmotor. Die Hubkräfte auf den Kolben erzeugen elektrische Energie. Zugleich wird, durch die magnetischen Kräfte, dem Kolben auch die Dreh­bewegung überlagert. Somit ist auch eine Steuerung des Ladungswechsels nach Anspruch 1 od. 2 möglich.The rotary piston machine works, for example, as an internal combustion engine. The lifting forces on the pistons generate electrical energy. At the same time, the rotary motion is superimposed on the piston by the magnetic forces. Control of the gas exchange according to claim 1 or 2 is thus also possible.

Konstruktive, charakteristische Eigenschaften: Constructive, characteristic properties :

Der Anker ist speziell geformt, siehe als Beispiele Bild 20 und 22. Dies ist die wichtige, charakteristische Eigenheit.
Wir unterscheiden zwei Anker-Bauarten:

  • a) Der Anker ist mit ortsfesten Magnetpolen versehen.
    Das heisst, der Anker enthält entweder Wicklungen, oder ist mit Dauermagneten versehen bzw. ist dauermagnetisiert.
  • b) Der Anker ist zwar magnetisierbar, aber nicht dauermagne­tisch. Das heisst, er besteht aus einem Werkstoff mit geringer magnetischer Remanenz.
The anchor is specially shaped, see examples 20 and 22. This is the important, characteristic peculiarity.
We differentiate between two anchor types:
  • a) The armature is provided with fixed magnetic poles.
    This means that the armature either contains windings, is provided with permanent magnets or is permanently magnetized.
  • b) The armature is magnetizable, but not permanently magnetic. This means that it consists of a material with low magnetic remanence.

Funktion:Function: a) Anker mit ortsfesten Magnetpolen:a) Anchor with fixed magnetic poles:

Die Drehbewegung kann prinzipiell genau gleich erzeugt werden, wie bei konventionellen Elektromotoren (sinngemäss gilt dies alles auch für Elektrogeneratoren). Alle bekannten Bauarten mit Gleichstrom, Wechselstrom, Drehstrom, einpolig, mehrpolig oder Bauarten als Schrittmotor, usw. sind anwendbar.
Durch die Form des Ankers ergibt sich mit der Drehbewegung auch die Hubbewegung des Kolbens: Der Stator führt an einer oder an mehreren Stellen durch magnetische Kräfte die angrenzende Man­telfläche des Ankers. Siehe Beispiel Bild 17: Oben am Stator ist die Stelle, wo dieser die Mantelfläche des Ankers führt. Unten ist das Feld des Stators axial viel breiter. Dort wird die axiale Bewegung der Anker-Mantelfläche zugelassen.
Zusätzlich kann man folgendermassen die mögliche Axialkraft auf den Anker erhöhen: Der Stator wirkt nicht nur dort mit Axial­kräften auf die Mantelfläche des Ankers ein, wo er den Anker führt. Er unterstützt auch die relative Axialbewegung der An­ker-Mantelfläche zum Stator an anderen Stellen durch treibende Kräfte. Diese treibenden Kräfte oscillieren entsprechend der Be­wegung der Anker-Mantelfläche. Sie bewirken dadurch nicht nur grössere mögliche Axialkräfte, sie können dadurch auch die Dreh­bewegung unterstützen.
In principle, the rotary movement can be generated in exactly the same way as with conventional electric motors (this also applies analogously to electrical generators). All known types with direct current, alternating current, three-phase current, single-pole, multi-pole or types as stepper motors, etc. can be used.
Due to the shape of the armature, the rotary movement also results in the stroke movement of the piston: the stator guides the adjacent outer surface of the armature at one or more points by magnetic forces. See example in Figure 17: The top of the stator is where it guides the outer surface of the armature. At the bottom, the field of the stator is much wider axially. The axial movement of the outer surface of the armature is permitted there.
In addition, the possible axial force on the armature can be increased as follows: The stator not only acts with axial forces on the outer surface of the armature where it guides the armature. It also supports the relative axial movement of the armature outer surface to the stator at other points by driving forces. These driving forces oscillate in accordance with the movement of the surface of the armature. Not only do they cause greater possible axial forces, they can also support the rotary movement.

b) Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermagnetischem Werkstoff, ohne Spulen auf dem Anker:b) Anchors made of magnetizable but not permanently magnetic material, without coils on the anchor: Vorteile:Advantages:

Sehr günstig herstellbar.
Very cheap to manufacture.

Keine Stromzufuhr zum drehenden Anker.
Mit einer herkömmlichen, rotationssymmetrischen Ankerform könnte man auf diese Weise keine Drehbewegung erzeugen. Zwar kann der Anker durch den Stator magnetisiert werden, doch wandern die magnetischen Pole auf dem Anker mit.
Durch die besondere Form des Ankers nach Anspruch 4, werden sol­che Elektromotern realisierbar. Siehe Bild 18 bis 21. An min­destens einer Stelle wirkt der Stator mit einem starken Feld auf den Anker und magnetisiert den Anker. Dadurch entstehen auf dem Anker eine ganze Anzahl magnetischer Pol-Paare, d.h. eine gerade Anzahl Magnetpole. Die treibenden Kräfte wirken nun nicht, wie bei einem konventionellen Elektromotor, in rein tangentialer Richtung. (N.B: Die radiale Kraftkomponente zwischen Statorpol und Anker wird als selbstverständlich vorausgesetzt und hier deshalb nicht extra erwähnt.). Die treibenden Kräfte des Stators wirken primär in axialer Richtung. Für die Erzeugung der Drehbe­wegung ist jedoch auch eine tangentiale Kraftkomponente erfor­derlich. Durch die Form des Ankers entsteht diese tangentiale Kraftkomponente automatisch, ausser wenn der Anker in einem Be­wegungstotpunkt liegt. Deshalb hat die Maschine in Bild 18 bei­spielsweise eine Hilfswicklung (46) für den Start der Maschine. Die Maschine in Bild 19 weist einen Führungspol (44) und drei Stellen am Stator auf, die den Anker treiben. Die treibenden Pole werden hier so gesteuert, dass der Anker kontinuierlich den anziehenden Kräften der treibenden Magnetfelder folgt. Nach Bild 20 und 21 entstehen zwei Hubzyklen pro Umdrehung. Die Form des Ankers ist in Bild 22 perspektivisch dargestellt. In Bild 20 haben wir zwei Führungspole (44). Die relative Bewe­gung der Anker-Mantelfläche zum Stator weist an diesen Stellen "Knotenpunkte" auf. Auch diese Maschine braucht für den Start aus der gezeichneten Stellung eine Startvorrichtung (nicht ge­zeichnet).
Solche Maschinen mit mehreren (ideal min. 3) Magnetpolen am Sta­tor, welche den Anker mit magnetischen Kräften anziehen, können im übrigen auch leicht dazu benützt werden, um den Anker auch in radialer Richtung zu führen: Der Abstand zwischen Anker und Stator wird z.B. elektronisch geregelt und durch die Variation der Magnetkräfte konstant gehalten. Dadurch dient diese Vorrich­tung zugleich als magnetisches, praktisch reibunbsfreies Magnet­ lager. Mit zwei solchen Vorrichtungen ist die Welle bzw. der Kolben sauber gelagert.
In Bild 21 haben wir wiederum zwei Führungspole, aber drei Stel­len am Stator, die treibend auf den Anker wirken. Bei solchen Maschinen ist darauf zu achten, dass die treibenden Pole (45) nicht gleichzeitig schlagartig ihre Polarität wechseln und den Anker abstossen. Da sie in der Ueberzahl sind, können sie sonst den Anker ummagnetisieren. Mit Mehrphasen-Wechselstrom läuft die Maschine nach Bild 21 so, dass sich sämtliche Pole immer anzie­hen. Dadurch kann der Anker hohe Axialkräfte ausüben bzw. aus­halten. Wirken auch die treibenden magnetischen Statorkräfte im­mer anziehend auf den Anker, so übernehmen eigentlich auch die treibenden Pole axiale Führungsaufgaben. Nach diesem Prinzip sind auch Maschinen realisierbar, die keine eigentlichen, orts­festen Führungspole mehr am Stator haben, sondern nur noch wan­dernde, treibende Felder, welche den Anker in der richtigen Po­sition umher führen. Durch die Loslösung des Ankers von einer Führungsstelle, oder durch das Wechseln von Führungsstellen, ist die Hublänge und die Bewegungsform variierbar. (Dies gilt auch für die Variante a mit Spulen im Anker). Durch das Verstellen der Hublänge des Kolbens kann beispielsweise bei Pumpen die För­dermenge verstellt werden. (Siehe dazu auch Anspruch 20). Der Betrieb der elektrischen Dreh-Hubkolben-Maschine in den ge­bräuchlichsten Bauformen mit den verschiedenen Stromarten ist in Anspruch 9 nachzulesen.
Alternative Bauform: Der aussen angeordnete Stator weist die beschriebenen Funktionen und Merkmale des Ankers auf. Analog weist der Anker die beschriebenden Funktionen und Merkmale des Stators auf. Dies kann man sich folgendermassen vorstellen: Tauscht man die Worte "Stator" und "Anker" miteinander aus, so entsteht eine analoge, aber unterschiedliche Bauform. Die Man­telfläche des Ankers ist dann analog als Innenfläche des Stators zu verstehen. Beispiel: Der aussen liegende Stator weist die schräge oder kurvenförmige Form auf, wie sie oben für den Anker beschrieben wurde. Der Anker führt und treibt mit seinen Magnet­ feldern den Stator, so dass der Stator relativ zum Anker eine Dreh-Hubbewegung macht, usw.. In den allermeisten Fällen ist dies die ungünstigere Bauart: Meist steht relativ zur Umgebung der aussenliegende Stator still. Dadurch ist die Stromzufuhr zum Stator einfacher als zum drehenden Anker. - Und dies ist ja ein grosser Vorteil dieses Systems mit Anker ohne Spulen.
No power to the rotating anchor.
With a conventional, rotationally symmetrical anchor shape, it would not be possible to produce a rotary movement in this way. The armature can be magnetized by the stator, but they migrate with magnetic poles on the anchor.
Due to the special shape of the armature according to claim 4, such electric motors can be realized. See Figures 18 to 21. At at least one point, the stator acts with a strong field on the armature and magnetizes the armature. This creates a whole number of magnetic pole pairs on the armature, ie an even number of magnetic poles. The driving forces do not work in a purely tangential direction, as with a conventional electric motor. (NB: The radial force component between the stator pole and armature is taken for granted and is therefore not mentioned here.). The driving forces of the stator act primarily in the axial direction. However, a tangential force component is also required to generate the rotary movement. Due to the shape of the anchor, this tangential force component is created automatically, unless the anchor is in a dead center of movement. For this reason, the machine in Figure 18 has, for example, an auxiliary winding (46) for starting the machine. The machine in Figure 19 has a guide pole (44) and three points on the stator that drive the armature. The driving poles are controlled so that the armature continuously follows the attractive forces of the driving magnetic fields. As shown in Figures 20 and 21, two lifting cycles per revolution occur. The shape of the anchor is shown in perspective in Figure 22. In Figure 20 we have two guide poles (44). The relative movement of the armature outer surface to the stator has "nodes" at these points. This machine also needs a starting device (not shown) for starting from the position shown.
Such machines with several (ideally min. 3) magnetic poles on the stator, which attract the armature with magnetic forces, can also be easily used to guide the armature in the radial direction: The distance between armature and stator becomes electronic, for example regulated and kept constant by varying the magnetic forces. As a result, this device also serves as a magnetic, practically frictionless magnet warehouse. With two such devices, the shaft or the piston is stored cleanly.
In Figure 21 we again have two guide poles, but three points on the stator that drive the armature. In such machines, care must be taken that the driving poles (45) do not suddenly change their polarity at the same time and repel the armature. Since they are in the majority, they can otherwise magnetize the armature. With multi-phase alternating current, the machine runs as shown in Figure 21 so that all poles always attract. This allows the armature to exert or withstand high axial forces. If the driving magnetic stator forces always have an attractive effect on the armature, the driving poles actually take on axial guiding tasks. According to this principle, machines can also be implemented that no longer have actual, fixed guide poles on the stator, but only wandering, driving fields that guide the armature around in the correct position. The stroke length and the form of movement can be varied by detaching the anchor from a guide point or by changing guide points. (This also applies to variant a with coils in the armature). By adjusting the stroke length of the piston, the delivery rate can be adjusted for pumps, for example. (See also claim 20). The operation of the electric rotary reciprocating machine in the most common designs with the different types of current can be found in claim 9.
Alternative design: The stator on the outside has the described functions and features of the armature. Similarly, the armature has the descriptive functions and features of the stator. This can be imagined as follows: If you exchange the words "stator" and "anchor" with each other, you get an analog but different design. The outer surface of the armature is then to be understood analogously as the inner surface of the stator. Example: The external stator has the oblique or curved shape as described above for the armature. The anchor guides and drifts with its magnet fields the stator so that the stator makes a rotary-lifting movement relative to the armature, etc. In most cases this is the less favorable design: the external stator is usually stationary relative to the surroundings. This makes it easier to supply power to the stator than to the rotating armature. - And this is a big advantage of this system with an anchor without coils.

"Mechanische" Dreh-Hubkolben-Maschinen:"Mechanical" rotary reciprocating machines:

5., 10., 11. Exakte geometrische Definition siehe Anspruch 5. Anschauliche Definition anhand eines Ausführungsbeispiels (siehe Bild 1 und 6):
Die Hubbewegung wird bei dieser Dreh-Hubkolben-Maschine folgen­dermassen in eine Drehbewegung umgewandelt (bzw. umgekehrt): Die taumelscheibenartige Welle (Bild 1, Pos. 35 oder Bild 6, Pos. 37) ist fest mit dem Kolben verbunden bzw. ist ein Bestand­teil des Kolbens. Dreht sich der Kolben, so macht diese Welle eine Taumelbewegung. Nach einer halben Umrehung wechselt die Stellung wie in Bild 1 links dargestellt in eine Stellung wie rechts dargestellt. Diese beiden Stellungen bilden die beiden extremen Hubstellungen (Hubbewegungs-Totpunkte). Das Uebertra­gungselement (38) überträgt die Kräfte vom Kolben auf den Zylin­der. Durch taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement entsteht aus der Hubkraft ein Drehmoment bzw. umgekehrt. Damit der Kolben, die taumelscheibenartige Welle und das Führungsele­ment in ihren Bewegungen nicht behindert werden, ist die Verbin­dung zwischen Uebertragungselement und Zylinder gelenkig. Die genauen geometrischen Anforderungen sind in Anspruch 5 beschrie­ben. Die Beispiele Bild 1 und 6 zeigen drei Beispiele von vielen Möglichkeiten.
Das Beispiel in Bild 1 arbeitet ohne Kugelgelenk mit zwei inei­nanderliegenden Gelenken. Das innere Gelenk überträgt nur ra­diale Kräfte und ist axial verschiebbar. Das äussere Gelenk mit Drehachse senkrecht zur Zeichnungsebene überträgt auch axiale Kräfte. (N.B: Zentrale Welle (14) siehe Anspruch 21 und 22).
Im Beispiel nach Bild 6 ist die taumelscheibenartige Welle in den Kolben eingeformt. Das Gelenk ist als Kugelgelenk ausgebil­det. Bild 6 a und b unterscheiden sich nur durch die verschie­dene Art der Kompensation der Längsverschiebung des Gelenkpunk­tes. Bei den gezeichneten Stellungen ist der Gelenkpunkt am nächsten bei der Zylinderachse. Nach einer viertel Umdrehung ist der Gelenkpunkt ein wenig von der Zylinderachse weggerückt.
5., 10., 11. Exact geometric definition see claim 5. Descriptive definition based on an embodiment (see Figures 1 and 6):
The stroke movement in this rotary reciprocating machine is converted into a rotary movement as follows (or vice versa): The swashplate-like shaft (Figure 1, Item 35 or Figure 6, Item 37) is firmly connected to the piston or is a component of the piston. When the piston rotates, this shaft makes a wobbling motion. After half a turn, the position changes as shown in Figure 1 on the left to a position as shown on the right. These two positions form the two extreme stroke positions (stroke movement dead centers). The transmission element (38) transmits the forces from the piston to the cylinder. A swashplate-like shaft and transmission element result in a torque from the lifting force or vice versa. So that the piston, the swash plate-like shaft and the guide element are not hindered in their movements, the connection between the transmission element and the cylinder is articulated. The exact geometric requirements are described in claim 5. Examples 1 and 6 show three examples of many possibilities.
The example in Figure 1 works without a ball joint with two interlocking joints. The inner joint only transmits radial forces and is axially displaceable. The outer joint with the axis of rotation perpendicular to the plane of the drawing also transfers axial forces. (NB: central shaft (14) see claims 21 and 22).
In the example shown in Figure 6, the swashplate-like shaft is molded into the piston. The joint is designed as a ball joint. Figures 6 a and b differ only in the different types of compensation for the longitudinal displacement of the joint point. In the positions shown, the pivot point is closest to the cylinder axis. After a quarter turn, the pivot point has moved a little away from the cylinder axis.

Anwendungen: Applications : Motoren:Engines:

Das Gelenk in Bild 1 ist absichtlich sehr gross dimensioniert gezeichnet. Einerseits ist dadurch die Funktion besser ersicht­lich. Andrerseits soll damit illustriert werden, dass diese Vor­richtung sehr fest dimensioniert werden kann und daher auch für Grossmotoren geeignet ist, z.B. für Schiffe. (Pos 37 und 38 kön­nen ebenfalls beliebig stark dimensioniert werden). Die schlanke Bauform ist zudem ideal für einen tiefen Einbau längs im Kiel. Die schlanke Bauform und das geringe Gewicht sind auch für Flug­zeugmotoren und Fahrzeugmotoren interessant, usw.
Dazu kommen die weiteren Vorteile des Dreh-Hubkolben-Motors, z.B. die einfache Steuerung des Ladungswechsels.
The joint in Figure 1 is intentionally drawn very large. On the one hand, the function can be seen better. On the other hand, this is to illustrate that this device can be dimensioned very firmly and is therefore also suitable for large engines, for example for ships. (Items 37 and 38 can also be dimensioned to any size). The slim design is also ideal for deep installation lengthways in the keel. The slim design and low weight are also interesting for aircraft engines and vehicle engines, etc.
In addition, there are the other advantages of the rotary piston engine, for example the simple control of the gas exchange.

Uebrige:Rest:

Einfachheit und Kompaktheit und die Möglichkeit der einfachen Steuerung des Ladungswechsels machen diese Maschine für fast alle Anwendungen interessant. Die schlanke Bauform ist z.B. ideal für Erölpumpen.
Simplicity and compactness and the possibility of easy control of the gas exchange make this machine interesting for almost all applications. The slim design is ideal for petroleum pumps, for example.

Varianten:Variants:

- Zwei solche Vorrichtungen pro Dreh-Hubkolben, wobei die Ge­lenke diametral gegenüberliegen. Dadurch wird die Exzentri­zität der axialen Kraftwirkung auf den Kolben kompensiert.
- taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement bilden zusammen einen Elektromotor bzw. Elektrogenerator. (Anspruch 11).
- Two such devices per rotary piston, with the joints diametrically opposite. This compensates for the eccentricity of the axial force on the piston.
- Swash plate-like shaft and transmission element together form an electric motor or electric generator. (Claim 11).

6., 12. Diese Dreh-Hubkolbenmaschine erfüllt den gleichen Zweck wie die vorher besprochene.6., 12. This rotary reciprocating machine serves the same purpose as that previously discussed.

Funktion: Function :

Exakte geometrische Definition siehe Anspruch 6.
Anschauliche Definition anhander der Beispiele Bild 7 und 8: Die "Hohlwelle" (Pos 40) ist drehbar im Zylinder (1) gelagert. Verfolgt man einen Punkt auf der Hohlwelle, z.B. den Gelenkpunkt (Pos 42), so sieht man sofort folgendes: Mit der Drehung dieser Hohlwelle führt dieser Punkt auch eine Axialbewegung relativ zum Zylinder aus. Der Kolben wird in eine Dreh-Hubbewegung versetzt. Umgekehrt dreht die Hubbewegung des Kolbens die Hohlwelle.
Die Gestaltung des Gelenks ist im Anspruch 6 analog zu demjeni­gen von Anspruch 5 definiert. Bild 7 und 8 zeigen wiederum zwei von vielen möglichen Beispielen.
For exact geometric definition see claim 6.
Illustrative definition based on the examples Figures 7 and 8: The "hollow shaft" (item 40) is rotatably mounted in the cylinder (1). If you follow a point on the hollow shaft, for example the articulation point (item 42), you will immediately see the following: With the rotation of this hollow shaft, this point also performs an axial movement relative to the cylinder. The piston is set in a rotary stroke movement. Conversely, the stroke movement of the piston rotates the hollow shaft.
The design of the joint is defined in claim 6 analogously to that of claim 5. Figures 7 and 8 again show two of many possible examples.

Anwendungen: Applications :

wie Anspruch 5.
as in claim 5.

Unterschiede zu Anspruch 5: Differences to claim 5:

- Der axiale Platzbedarf im Zylinder ist hier geringer. Dadurch kann der Dreh-Hubkolben kürzer gebaut werden.
- Die konstruktive Krafteinleitung auf den Kolben ist unter­schiedlich
- Das Gelenk rotiert um die Zylinderachse.
- The axial space requirement in the cylinder is less here. This allows the rotary piston to be made shorter.
- The constructive application of force to the piston is different
- The joint rotates around the cylinder axis.

Varianten: Variants :

- Ebenso ist auch hier die Anordnung von zwei solchen Vorrich­tungen pro Dreh-Hubkolben möglich. Dadurch kann der exzentri­sche Kraftangriff auf den Kolben kompensiert werden.
- Das die Hohlwelle umgebende Zylinderteil und die Hohlwelle werden als Elektromotor oder Elektrogenerator ausgebildet. (Anspruch 12)
- Die Drehung der Hohlwelle kann direkt nach aussen übertragen werden, indem die Hohlwelle beispielsweise einen Zahnkranz trägt, der mit einem weiteren Zahnrad oder einem Getriebe im Eingriff steht.
- The arrangement of two such devices per rotary piston is also possible here. This can compensate for the eccentric application of force to the piston.
- The cylinder part surrounding the hollow shaft and the hollow shaft are designed as an electric motor or an electric generator. (Claim 12)
- The rotation of the hollow shaft can be transmitted directly to the outside by, for example, the hollow shaft carrying a ring gear which is in engagement with another gear or a gear.

7., 13. Für die Kolbenbewegung verantwortlich ist eine räumliche Kurvenbahn (Bild 9..11, Pos 3), z.B. in Form einer Kurvenscheibe oder einer umlaufenden Nut, die sich auf Führungen (4), wie beispielsweise Rollen oder Gleiter, abstützt.
Die räumliche Kurvenbahn (Pos 3) ist normalerweise direkt mit dem Kolben (2) verbunden und reproduziert bei jeder Drehung das in seiner Kurvenform "gespeicherte" Hubkinematik -"Programm". Selbstverständlich ist auch die umgekehrte Anordnung denkbar, nämlich die Führungen auf dem Kolben und die Kurvenbahn am Zylinder befestigt.
Theoretisch ist jede ganzzahlige Anzahl Hubzyklen pro Vollumdre­hung möglich - und eine beliebige Kinematik der Bewegung.
Bei mehreren Hubzyklen pro Umdrehung sind auch mehrere Führungen am Umfang einbaubar. Dadurch wird ein exzentrischer Kraftangriff auf den Kolben vermieden.
Anspruch 13 löst folgendes Problem: Auf Bild 13 ist deutlich zu sehen, dass sich die Kurvenschibe verjüngt und wieder verdickt. Dies ist bedingt durch eine fixe Befestigung der Führungsrollen. Mit einer Wippe (Bild 12) bleibt die Dicke der Kurvenscheibe über den ganzen Umfang konstant.
7., 13. A spatial cam track (Fig. 9..11, item 3) is responsible for the piston movement, for example in the form of a cam disc or a circumferential groove, which is supported on guides (4), such as rollers or sliders.
The spatial cam track (item 3) is normally directly connected to the piston (2) and reproduces the stroke kinematics "program" stored in its cam shape with every turn. Of course, the reverse arrangement is also conceivable, namely the guides on the piston and the cam track attached to the cylinder.
In theory, any integer number of lifting cycles per full revolution is possible - and any kinematics of the movement.
If there are several lifting cycles per revolution, several guides can also be installed on the circumference. This prevents an eccentric force attack on the piston.
Claim 13 solves the following problem: Figure 13 clearly shows that the cam tapered and thickened again. This is due to a fixed attachment of the guide rollers. With a rocker (Fig. 12) the thickness of the cam remains constant over the entire circumference.

14. Kombinationen:14. Combinations :

Selbstverständlich passen die erwähnten Ansprüche zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung ideal zusammen mit der Steuerung des Ladungswechsels nach Anspruch 1 oder 2 und/­oder auch mit der integrierten Kolbenmaschine (integrierter Vor­verdichter) nach Anspruch 3 und/oder 8.It goes without saying that the claims mentioned for generating the rotary / lifting movement fit ideally together with the control of the charge exchange according to claim 1 or 2 and / or also with the integrated piston machine (integrated precompressor) according to claim 3 and / or 8.

15. Abstimmen von Schlitzsteuerung, Kolbenform und -bewegung 15. Match slot control, piston shape and movement

  • a) Ausschlaggebend ist der Ladungswechsel und die Kolbenform:
    Bei 2-Takt-Motoren, Pumpen und Verdichtern ist nach einer Hin- ­und Herbewegung des Kolbens ein Arbeitszyklus (bestehend aus zwei Takten) abgeschlossen.
    Beim 4-Takt-Motor braucht ein ganzer Arbeitszyklus (bestehend aus den 4 Takten Ansaugen, Verdichten, Verbrennen und Auspuffen) 2 Hin- und Herbewegungen des Kolbens, d.h. zwei Arbeitszyklen.
    Da nun die Drehung der Kolben massgebend die Steuerung des La­dungswechsels bestimmt, und da das "Programm" für die Steuerung des Ladungswechsels als Periode einen ganzen Arbeitszyklus um­fasst, ist es am besten, wenn die (assymmetrischen) Kolben eine Umdrehung pro Arbeitszyklus machen.
    Siehe Bild 3 und 4.
    Ausnahmen: Bei Kolbenformen, bei denen sich nach einer halben Umdrehung die Stellung der Steuerkante wiederholt, ist eine halbe Umdrehung pro Arbeitszyklus angepasst. (Analog, bei ent­sprechender Kolbenform, ein Drittel, Viertel, usw.).
    Beispiele siehe Bild 5 c,d,e.
    Die meisten "querkraftfreien" Kolben sind solche Ausnahmen. Zweite Ausnahme: Der 2-Takt-Verbrennungsmotor, bei dem nur der Dreh-Hubkolben die Oeffnungen steuert: Der ganze Gaswechsel fin­det nur in der unteren Hälfte des Hubes statt. In diesem Zeit­punkt ist eine schnelle Drehung des Kolbens erwünscht. Nachher in der oberen Hubhälfte hat die Drehstellung des Kolbens keinen Einfluss auf die Steuerung mehr. Dort darf der Kolben problemlos eine "Leerlauf"-Drehbewegung machen. Dies bedeutet also, dass der Kolben zwei Umdrehungen pro Hubzyklus (ein halber Hubzyklus pro Umdrehung) machen dürfte. Oder dass man eine "querkraftf­reie" Kolbenform wählen darf, bei der sich die Stellung der Steuerkante nach einer halben Umdrehung wiederholt. Dann ist ein Hubzyklus pro Umdrehung richtig.
    Folglich wählt man normalerweise (je nach Kolbenform):
    - Dreh-Hubkolben-Maschine mit einem Hubzyklus pro ganze (bzw. halbe,..) Umdrehung
    für sämtliche Pumpen und Verdichter und für 2-Takt-Motoren.
    - Zwei Hubzyklen pro ganze (bzw. halbe,..) Umdrehung für 4-Takt-Motoren.
    Mit Dreh-Hubkolben-Maschinen z.B. nach Anspruch 4, 7, 9, 13 sind eine beliebige Anzahl Hubzyklen prc Umdrehung erreichbar. Nach Anspruch 5, 6, 10, 11, 12 ist man auf einen Hubzyklus pro Umdrehung beschränkt.
    a) The decisive factor is the gas exchange and the piston shape:
    In 2-stroke engines, pumps and compressors, a work cycle (consisting of two cycles) is completed after the piston has been reciprocated.
    With the 4-stroke engine, an entire working cycle (consisting of the 4 strokes of intake, compression, combustion and exhaust) requires 2 reciprocating movements of the piston, ie two working cycles.
    Now that the rotation of the pistons determines the control of the gas exchange, and since the "program" for the control of the gas exchange as a period comprises an entire work cycle, it is best if the (asymmetrical) pistons make one revolution per work cycle.
    See pictures 3 and 4.
    Exceptions: For piston shapes in which the position of the control edge repeats after half a turn, half a turn is adjusted per working cycle. (Analog, with appropriate piston shape, a third, a quarter, etc.).
    For examples see Figure 5 c, d, e.
    Most "shear-free" pistons are such exceptions. Second exception: The 2-stroke internal combustion engine, in which only the rotary piston controls the openings: the entire gas change takes place only in the lower half of the stroke. At this point, a rapid rotation of the piston is desirable. Afterwards in the upper half of the stroke, the rotary position of the piston no longer has any influence on the control. There, the piston can easily make an "idle" rotation. So this means that the piston should make two revolutions per stroke cycle (half a stroke cycle per revolution). Or that one can choose a "shear force-free" piston shape, in which the position of the control edge repeats itself after half a turn. Then one stroke cycle per revolution is correct.
    So you normally choose (depending on the piston shape):
    - Rotary piston machine with one stroke cycle per full (or half, ..) revolution
    for all pumps and compressors and for 2-stroke engines.
    - Two stroke cycles per full (or half, ..) revolution for 4-stroke engines.
    With rotary reciprocating machines, for example according to claim 4, 7, 9, 13, any number of lifting cycles per revolution can be achieved. According to claim 5, 6, 10, 11, 12 one is limited to one stroke cycle per revolution.
  • b) (Willkommene) Auswirkungen auf die Tourenzahl:
    Bei einer gegebenen Hubfrequenz wird durch die Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung die Tourenzahl der Welle bestimmt, bzw. umgekehrt.
    Bei Pumpen und Verdichtern z.B. kann bei gegebener Tourenzahl die Hubfrequenz erhöht werden.
    Für Propellerantriebe bei Fugzeugen und für Schiffsschrauben-­Antriebe will man wegen des Propeller- bzw. Schrauben- Wirkungs­grades eine langsame Wellendrehzahl. - Langsamlaufende Motoren haben jedoch ein schlechtes Leistungsgewicht, schnellaufende Mo­toren würden ein Getriebe erfordern.
    Im Vergleich zum Hubkolbenmotor mit Kurbeltrieb dreht ein 4-Takt-Dreh-Hubkolben-Motor mit Schlitzsteuerung bei gleicher Hubfrequenz genau mit halber Wellendrehzahl; oder sogar nur mit einem Viertel der Wellendrehzahl, je nach Kolbenform.
    Für die Anwendung bei Flugzeugen spricht zudem speziell:
    - die sehr schlanke, zylinderförmige Motorkontur mit zentraler (Propeller-) Welle, die man strömungsgünstig in die Flügel integrieren kann. (Beim Dreh-Hubkolben-Motor kann man problem­los 4, 6, 8 oder mehr Brennräume und eine entsprechende Anzahl Kolben in einem Zylinder hintereinander einbauen).
    - das äusserst geringe Gewicht des Dreh-Hubkolben-Motors.
    b) (Welcome) effects on the number of tours:
    For a given stroke frequency, the number of revolutions of the shaft is determined by the number of stroke cycles per revolution, or vice versa.
    For pumps and compressors, for example, the stroke frequency can be increased for a given number of revolutions.
    For propeller drives in aircraft and for propeller drives, a slow shaft speed is desired due to the propeller or screw efficiency. - However, slow-running motors have a poor power-to-weight ratio; high-speed motors would require a gearbox.
    In comparison to the reciprocating piston engine with crank drive, a 4-stroke rotary reciprocating piston engine with slot control rotates exactly at half the shaft speed at the same stroke frequency; or even only a quarter of the shaft speed, depending on the piston shape.
    The following also speaks in particular for use in aircraft:
    - The very slim, cylindrical motor contour with a central (propeller) shaft, which can be integrated into the wings in a flow-friendly manner. (With the rotary piston engine, 4, 6, 8 or more combustion chambers and a corresponding number of pistons can be installed in a cylinder without any problems).
    - The extremely low weight of the rotary piston engine.
16. Verwendung der Schlitzsteuerung für Spezialzwecke 16. Use of slot control for special purposes

  • a) Beispiel: Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader:
      Durch das Verbrennen des Luft-Brennstoffgemisches hat eine starke Erhöhung von Druck und Temperatur stattgefunden. Wenn der Auslass öffnet, ist der Druck im Zylinder noch um ein Vielfaches höher als im Abgassammelrohr vor dem Turbolader. Das Abgas strömt mit Schallgeschwindigkeit aus und wird auf das Druckni­veau des Abgassammelrohrs entspannt. Dadurch geht viel Nutz­energie verloren.
    Es ist besser, wenn in dieser ersten Phase der Druck im Abgas­sammelrohr relativ hoch ist. Dadurch erhält der Abgasturbolader mehr Energie. Wenn der Druck im Abgassammelrohr ungefähr den halben Zylinderinnendruck nicht übersteigt, so wird trotzdem Schallgeschwindigkeit erreicht. Das heisst: Die Entleerung des Zylinders wird nicht verlangsamt, der Motor "spürt" den höheren Gegendruck noch nicht.
    In der zweiten Phase, nach dem unteren Totpunkt, wenn der Druck im Zylinder abgefallen ist, sieht die Situation anders aus:
    Jetzt erschwert der hohe Gegendruck die ausstossende Hubbewegung des Kolbens. Daher öffnen wir jetzt mit dem Kolben den zweiten Auslasskanal und verschliessen den ersten Hochdruck-Auslass (entweder mit dem Kolben oder mit einem Rückschlagventil). Im zweiten Auslasskanal herrscht ein geringer Gasdruck. Im ein­fachsten Fall führt er via Schalldämpfer direkt ins Freie. Wegen der höheren Ausbeutung der Abgasenergie in der ersten Pha­se erhält der Turbo genügend Energie und benötigt daher nicht die gesmte Abgasmenge.
    Der Zylinder-Innendruck ist nun folglich beim Ansaugen der aufgeladenen Luft bedeutend höher als beim Auspuffen. Daher erzeugt der Viertaktmotor auch während des Gaswechsels eine deutlich spürbare zusätzliche Leistung.
    Beim Zweitakt-Motor erreicht man einen ungemein schnellen und wirkungsvollen Gaswechsel.
    Mit entsprechendem Aufwand (Grossmotoren) kann man die Entropie noch weiter vermindern, indem man mehr als zwei Auslasskanäle anordnet und den Druck feiner abstuft. Der erste Auslass geht auf eine Hochdruckstufe des Turboladers, der zweite auf eine Mitteldruckstufe usw.
      Ein deutlicher Vorteil ergibt das oben erwähnte Prinzip auch für die "Zusammenarbeit" zwischen Motor und Turbo und für die Motorcharakteristik:
    Nehmen wir folgendes Beispiel an: Der erste Auslass ist so aus­gelegt, dass bei Vollast und relativ tiefer Drehzahl das Abgas, während der Oeffnungszeit des ersten Auslasses, mit Schall­geschwindigkeit ausströmt. Nun erhöhen wir die Drehzahl: Die absolute Dauer der Oeffnungszeit des ersten Auslasses verkürzt sich linear mit der Drehzahl. Dafür erhöht sich linear die An­zahl der Oeffnungen pro Zeiteinheit. Folglich bleibt die Abgas­menge und Energie vom ersten Auslass für den Turbolader kon­stant.(Gleiche Last und Verbrennungsverhältnisse vorausgesetzt). Auf der Verdichterseite ergibt sich bei höherer Drehzahl des Motors ein erhöhter Luftbedarf, - der Aufladedruck sinkt. Das Drehmoment des Motors nimmt also mit abnehmender Drehzahl zu - , genau das erwünschte Gegenteil einer typischen Turbo-­Motor - Charakteristik.
    Durch die Auslegung des ersten Auslasses kann also der Konstruk­teur die Leistungscharakteristik des Turbo aufgeladenen Motors bestimmen. Das Steuern oder Regeln des Turbos (abblasen usw.) wird überflüssig.
    a) Example: Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger:
    The combustion of the air-fuel mixture has led to a sharp increase in pressure and temperature. When the outlet opens, the pressure in the cylinder is many times higher than in the exhaust manifold in front of the turbocharger. The exhaust gas flows out at the speed of sound and is expanded to the pressure level of the exhaust manifold. As a result, a lot of useful energy is lost.
    It is better if the pressure in the exhaust manifold is relatively high in this first phase. This gives the exhaust gas turbocharger more energy. If the pressure in the exhaust manifold does not exceed approximately half the cylinder pressure, the speed of sound is still achieved. This means that the emptying of the cylinder is not slowed down, the engine does not "feel" the higher back pressure yet.
    In the second phase, after bottom dead center, when the pressure in the cylinder has dropped, the situation is different:
    The high back pressure now complicates the ejection stroke of the piston. Therefore we now open the second outlet channel with the piston and close the first high-pressure outlet (either with the piston or with a check valve). There is a low gas pressure in the second outlet channel. In the simplest case, it leads directly to the outside via a silencer. Due to the higher exploitation of the exhaust gas energy in the first phase, the turbo receives enough energy and therefore does not need the total amount of exhaust gas.
    The internal cylinder pressure is now significantly higher when sucking in the charged air than when exhausting. Therefore, the four-stroke engine generates a noticeable additional power even during the gas change.
    The two-stroke engine achieves an extremely fast and effective gas change.
    With appropriate effort (large engines), entropy can be reduced even further by arranging more than two outlet channels and grading the pressure more finely. The first outlet goes to a high pressure stage of the turbocharger, the second to a medium pressure stage, etc.
    The principle mentioned above also provides a clear advantage for the "cooperation" between engine and turbo and for the engine characteristics:
    Let us take the following example: The first outlet is designed so that the exhaust gas flows out at the speed of sound at full load and at a relatively low speed during the opening time of the first outlet. Now we increase the speed: The absolute duration of the opening time of the first outlet is reduced become linear with the speed. For this, the number of openings per unit of time increases linearly. As a result, the amount of exhaust gas and energy from the first outlet for the turbocharger remains constant (assuming the same load and combustion conditions). On the compressor side, there is an increased air requirement at higher engine speeds, - the supercharging pressure drops. The torque of the engine increases with decreasing speed - exactly the opposite of a typical turbo engine characteristic.
    By designing the first outlet, the designer can determine the performance characteristics of the turbocharged engine. There is no need to control or regulate the turbo (blow off, etc.).
  • b) Das selbe Prinzip, nämlich das "Sortieren" des Arbeitsmediums nach dessen Gehalt an innerer Energie, lässt sich auch bei Verdichtern verwirklichen: Ein Verdichter kann verschiedene "Verbraucher" mit unterschiedlich stark komprimiertem Gas ver­sorgen. Funktion und Beispiele wurden im Zusammenhang mit dem integrierten Vorverdichter erklärt. (Siehe Beschreibung zu 3 und 8). Für die Speisung von verschiedenen Hydraulik-Systemen mit unterschiedlichen Drücken funktioniert das System ebenfalls.b) The same principle, namely the "sorting" of the working medium according to its content of internal energy , can also be realized with compressors: one compressor can supply different "consumers" with differently compressed gas. Function and examples were explained in connection with the integrated pre-compressor. (See description of 3 and 8). The system also works for the supply of different hydraulic systems with different pressures.
  • c) Beispiel Ottomotor: Um die Zylinderfüllung und dadurch die Leistung verringern zu können (Teillast), verwendet man heute Drosselklappen im Ansaugkanal. Der durch das Drosseln entstehen­de Unterdruck beim Ansaugen ergibt Wirkungsgrad-Einbussen. Beim Dreh-Hubkolbenmotor kann man ungedrosselt ansaugen und die Füllung folgendermassen vermindern: Zu Beginn des Verdichtungs­taktes lässt man das angesaugte Medium durch Schlitze, die man mit Drosselklappen verschliessen kann, wieder entweichen. Faktisch verkürzt man dadurch den wirksamen Hub, variiert also den wirksamen Hubraum. (Dieses Prinzip lässt sich auch für die Variierung der Fördermenge von Pumpen und Verdichtern anwenden.c) Example gasoline engine: In order to be able to reduce the cylinder charge and thereby the power (partial load), throttle valves are used in the intake duct today. The negative pressure created by throttling during suction results in efficiency losses. With the rotary reciprocating piston engine, you can suck in without throttling and reduce the filling as follows: At the beginning of the compression cycle, the sucked-in medium is let out again through slots that can be closed with throttle valves. In fact, this shortens the effective stroke, i.e. varies the effective displacement. (This principle can also be used to vary the delivery rate of pumps and compressors.
  • d) Da man mit dem Dreh-Hubkolben sehr schnell beliebige Schlitze in der Zylinderwand öffnen und schliessen kann, bietet sich an:
        - Einblasen von vorverdichteter Zusatzluft während des Verdichtens (siehe Beschreibung zu 3 und 8, integ­rierter Vorverdichter)
        - Einblasen von Zusatzluft während des Verbrennungs­vorgangs. Zweck: Wirkung als Thermoreaktor, um die Bildung von Stickoxiden zu minimalisieren.(NOx)
    d) Since you can open and close any slots in the cylinder wall very quickly with the rotary piston, you can:
    - Blowing in of pre-compressed additional air during compression (see description for 3 and 8, integrated pre-compressor)
    - blowing in additional air during the combustion process. Purpose: acts as a thermoreactor to minimize the formation of nitrogen oxides. (NOx)
  • e) Die Fähigkeit des Dreh-Hubkolbens, Oeffnungen, bzw. Flächen in der Zylinderwand abzudecken, kann auch dazu benützt wer­den, Ventile, Düsen, Zünder, Sensoren usw. vor den hohen Ver­brennungstemperaturen oder den hohen Drücken zu schützen.e) The ability of the rotary piston to cover openings or surfaces in the cylinder wall can also be used to protect valves, nozzles, igniters, sensors etc. from the high combustion temperatures or the high pressures.
17. Verstärkung der Rotation des Mediums 17. Increasing the rotation of the medium

Die Rotation des Mediums unterstützt die Strömungsvorgänge beim Ladungswechsel. Weitere Anwendungsbeispiele:

  • a) Beim Verbrennungsmotor wird die schnelle Ausbreitung der Ver­brennung und die Zündwilligkeit, vor allem bei mageren Gemi­schen, wesentlich gesteigert, wenn das Arbeitsmedium kräftig verwirbelt wird. Siehe Bild 14.
    Man kann sogar anstreben, dass die Trägheitskräfte (Zentrifu­genwirkung) eine Schichtung der Ladung erzeugen, d.h. dass an der Peripherie bie der Zündkerze das Gemisch reicher und da­mit zündwilliger ist als im Zentrum des Arbeitsraumes.
  • b) Bei Pumpen und Verdichtern kann man durch das Umrühren für bestimmte Einsatzzwecke
    - eine Entmischung des Pumpmediums oder eine Sedimentation verhindern
    - mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten ein gezieltes Auszentri­fugieren des Mediums bewirken.
    - Vernetzungsvorgänge im Pumpmedium während des Pumpens verhindern
    - das Festkleben oder Angefrieren des Mediums an der Zylin­derwänden verhindern
    - Durch ein sich gegen die Zylinderwand hin konisch vergrös­serndes Endvolumen im oberen Totpunkt, wird bei zähflüssi­gen Pumpmedien zudem das radiale Ausstossen erleichtert.
The rotation of the medium supports the flow processes when changing charges. Further application examples:
  • a) In the case of the internal combustion engine , the rapid spread of the combustion and the ignitability, especially in the case of lean mixtures, is significantly increased if the working medium is vigorously swirled. See picture 14.
    One can even strive for the inertial forces (centrifuge effect) to create a stratification of the load, ie that the mixture at the periphery near the spark plug is richer and therefore more ignitable than in the center of the work area.
  • b) With pumps and compressors you can by stirring for certain purposes
    - prevent segregation of the pumping medium or sedimentation
    - Effectively centrifuging the medium at high peripheral speeds.
    - Prevent cross-linking processes in the pump medium during pumping
    - prevent the medium from sticking or freezing to the cylinder walls
    - With a conically increasing end volume at top dead center towards the cylinder wall, radial ejection is also made easier with viscous pumping media.

18. Der klassische Kurbeltrieb bei der Hubkolbenmaschine treibt den Kolben in einer zeitlich sinusförmigen Hubbewegung mit überlageren Oberschwingungen. So verweilt der Kolben etwas länger im Bereich des unteren Totpunktes als im Bereich des ob­eren Totpunkts. Bei vielen Anwendungen wäre ein anderer Verlauf der Kolbenbewegung, d.h. eine andere Hubkinematik, wünschens­wert.
Die Hubkinematik der Dreh-Hubkolben-Maschine nach den Ansprü­chen 4, 9, 7 und 13 kann man völlig frei wählen und auf den An­wendungszweck abstimmen. Bei den übrigen Ansprüchen bezüglich Erzeugung der Kolbenbewegung kann die Hubkinematik in einem ge­wissen Rahmen auch gewählt werden. Im Anspruch 18 ist erwähnt, mit welchen geometrischen Grössen man die Hubkinematik dieser Systeme beeinflusst. Anwendungsbeispiele sind auch aufgeführt.
18. The classic crank mechanism in the reciprocating piston machine drives the piston in a temporally sinusoidal stroke movement with superimposed harmonics. The piston thus remains somewhat longer in the area of bottom dead center than in the area of top dead center. In many applications, a different course of the piston movement, ie a different stroke kinematics, would be desirable.
The lifting kinematics of the rotary reciprocating machine according to claims 4, 9, 7 and 13 can be chosen freely and match the application. In the other claims regarding the generation of the piston movement, the lifting kinematics can also be selected to a certain extent. Claim 18 mentions the geometric sizes with which the lifting kinematics of these systems are influenced. Application examples are also listed.

19. Die Veränderung der Synchronisation zwischen Kolbendreh­ung und der Hubbewegung kann beispielsweise bezwecken:
- Anpassen der Steuerzeiten an den Betriebspunkt der Maschine (Drehzahl, Last etc.)
- Umstellen der Steuerzeiten auf Rückwärtslauf bei Motoren ohne Umkehrgetriebe (z.B. Gross-Schiffsdiesel).
19. The purpose of changing the synchronization between piston rotation and the lifting movement can be, for example:
- Adaptation of the control times to the operating point of the machine (speed, load etc.)
- Switching the control times to reverse running for engines without a reverse gear (e.g. large marine diesel).

20. Hubverstellung:20. Stroke adjustment:

Einrichtungen zum Verstellen der Hublänge werden normalerweise eingesetzt, um das Fördervolumen einer Pumpe oder das Schluck­volumen eines (Hydraulik-) Motors zu verändern, z.B. bei hydro­statischen Getrieben.Stroke length adjustment devices are normally used to change the delivery volume of a pump or the displacement volume of a (hydraulic) motor, for example in hydrostatic transmissions.

Uebertragung der Kolbendrehung nach aussenTransmission of the piston rotation to the outside

21. Wir haben gesehen, dass der Kolben eine Dreh-Hubbewegung ausführt. Die Uebertragung der Drehung des Kolbens vom Innern der Maschine nach aussen ist Gegenstand dieses Punktes:
Man stelle sich eine zentrale Welle vor, die auf der Mittelachse des Zylinders durch die Maschine geht und an einem Ende der Ma­schine (oder an beiden Enden) stirnseitig nach aussen führt. Auf dieser Welle ist der Kolben so aufgesteckt, dass er sich auf der Welle längs verschieben, aber sich gegenüber der Welle nicht verdrehen kann. D.h., der Kolben kann ein Drehmoment auf die Welle übertragen und trotzdem die Hubbewegung ausführen. (Dies ist konstruktiv realisierbar mit Formschluss, beispielsweise mit Keilbahn und Keil, oder mit einer Konstruktion nach Anspruch 22 oder 23).
Oder man lässt die Welle die Hubbewegung des Kolbens mitmachen und kompensiert dann die Hubbewegung der Welle an andrer Stelle, z.B. an der Stirnseite der Maschine.
Die Abdichtung der Welle geschieht problemlos z.B. mit Stangen­dichtungen (analog zu den Kolbenringen beim Hubkolbenmotor, aber innendichtend!).
21. We have seen that the piston is rotating and lifting. The transmission of the rotation of the piston from the inside of the machine is the subject of this point:
Imagine a central shaft that goes through the machine on the central axis of the cylinder and leads outwards at one end of the machine (or at both ends). The piston is attached to this shaft in such a way that it can move longitudinally on the shaft but cannot twist with respect to the shaft. This means that the piston can transmit torque to the shaft and still execute the lifting movement. (This can be implemented in a constructive manner with a form fit, for example with a keyway and wedge, or with a construction according to claim 22 or 23).
Or you let the shaft take part in the stroke movement of the piston and then compensate for the stroke movement of the shaft at another point, for example on the front of the machine.
The shaft is easily sealed, for example with rod seals (analogous to the piston rings on the reciprocating piston engine, but with an internal seal!).

22. Wie wir bei Punkt 21 gesehen haben, wird zwischen Dreh-­Hubkolben und zentraler Welle das Drehmoment übertragen. Gleich­zeitig muss sich der Kolben auf der Welle längs verschieben kön­nen, um die Hubbewegung auszuführen.
Mit Wälzkörpern (Rollen etc.) kann man diese Drehmomentübertra­gung so gestalte, dass auch die Hubbewegung mit wenig Reibung läuft. Eine solche Konstruktion würde beispielsweise ähnlich gestaltet wie die homokinetischen Wellengelenke mit Längenaus­gleich, die man vom Auto - Vorderradantrieb her kennt. Diese Konstruktion gleicht zudem Fluchtungsfehler aus.
22. As we saw at point 21, the torque is transmitted between the rotary piston and the central shaft. At the same time, the piston must be able to move longitudinally on the shaft in order to carry out the lifting movement.
With rolling elements (rollers etc.), this torque transmission can be designed so that the lifting movement also runs with little friction. Such a construction would, for example, be designed in a similar way to the homokinetic shaft joints with length compensation, which are known from car front wheel drive. This construction also compensates for misalignments.

23. Membranen oder Bälge (siehe Bild 15 a und b) können mit ihrer Drehsteifigkeit (und -festigkeit) ebenfalls das Drehmoment übertragen. Die Hubbewegung nehmen sie mit ihrer hohen Elastizi­tät in axialer Richtung auf.
Diese Konstruktionen sind sehr billig und praktisch reibungsfrei.
23. Diaphragms or bellows (see Figure 15 a and b) can also transmit the torque with their torsional rigidity (and strength). They take up the stroke movement with their high elasticity in the axial direction.
These designs are very cheap and practically frictionless.

24. In den Ansprüchen 21 bis 23 wurde die Uebertragung der Kolbendrehung vom Innern der Maschine nach aussen mittels einer zentralen Welle behandelt. Eine andere Möglichkeit ist die Uebertragung der Drehung über die Mantelfläche eines der ro­tierenden Teile.
Auf diese Weise kann die gesamte Leistung übertragen werden (beispielsweise formschlüssig über Zahnräder), oder es können auf diese Weise Hilfs-Aggregate angetrieben werden.
Auch die Umwandlung der Kolbenbewegung durch eines der nur dre­henden Teile in elektrische Energie ist sinnvoll, z.B. indem der Anker eines konventionellen elektrischen Motors oder Generators direkt auf dem drehenden Teil befestigt ist.
Bei der Maschine nach Anspruch 4 kann die Drehbewegung sowieso direkt über die Mantelfläche des Dreh-Hubkolbens elektromagne­tisch nach aussen übertragen und in elektrische Energie umgewan­delt werden (bzw. umgekehrt).
Eine Bewegungsübertragung, speziell für die Dreh-Hubkolben-Ma­schine nach Anspruch 6, ist in Anspruch 12 behandelt.
24. In claims 21 to 23, the transmission of the piston rotation from the inside of the machine to the outside was treated by means of a central shaft. Another possibility is to transmit the rotation over the lateral surface of one of the rotating parts.
In this way, the entire power can be transmitted (for example, positively via gears), or auxiliary units can be driven in this way.
The conversion of the piston movement by one of the only rotating parts into electrical energy also makes sense, for example by attaching the armature of a conventional electric motor or generator directly to the rotating part.
In the case of the machine according to claim 4, the rotary movement can be transmitted electromagnetically to the outside directly via the outer surface of the rotary piston and converted into electrical energy (or vice versa).
A motion transmission, especially for the rotary piston machine according to claim 6, is dealt with in claim 12.

25. Die Uebertragung des Drehmoments von Kolben zu Kolben kann anstatt mit einer Welle auch ganz einfach formschlüssig durch die Kolbenoberflächen erfolgen, welche im Sinne einer "Klauenkupplung" geformt sind. Kolbenformen nach Bild 5 c..e eignen sich beispielsweise dafür.
Kolbenform und Hublänge müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Kolben bei jeder Hubstellung dauernd ineinander im Eingriff bleiben.
Um die Reibung zu vermindern, kann die Kraft anstatt direkt via Gleitflächen auch indirekt via Wälzkörper übertragen werden, die zwischen den beiden Kolbenflächen liegen.
25. The transmission of the torque from piston to piston can instead of a shaft also be carried out in a simply positive manner through the piston surfaces, which are shaped in the sense of a "claw clutch". Piston shapes according to Figure 5 c..e are suitable for this, for example.
Piston shape and stroke length must be coordinated so that the pistons remain engaged with each other at every stroke position.
In order to reduce the friction, the force can be transmitted indirectly via rolling elements instead of directly via sliding surfaces lie between the two piston surfaces.

26. Schmierung 26. Lubrication

Die Rotation des Kolbens auf der Zylinderwand kann ausgenützt werden, um einen hydrodynamischen Schmierzustand zu erreichen (Aufschwimmen auf dem Schmierfilm). - Beim konventionellen Hub­kolbenmotor tritt hier normalerweise Mischreibung auf.
Zudem steigert sich dadurch die Fähigkeit, eventuell vorhandene Querkräfte aufzunehmen. - Der konventionelle Kurbeltrieb erzeugt eine Querkraft auf den Kolben, die mit der Kurbelwellendrehung in Betrag und Richtung ändert (Ursache des Kolbenkippens).
Bei der Dreh-Hubkolben-Maschine hängt es von der Bauart ab, ob überhaupt Querkräfte auftreten:
Querkräfte vorhanden sind bei den Maschinen mit nur einem Hub­zyklus pro Umdrehung und nur einer Vorrichtung zur Bewegungser­zeugung pro Kolben (Ausnahme: gewisse Bauarten von Anspruch 4). Der exzentrische Kraftangriff bewirkt ein Moment auf den Kolben, das sich als Querkräftepaar manifestiert. Diese Querkräfte auf den (doppeltwirkenden) Dreh-Hubkolben sind etwa vergleichbar mit denen der Hubkolbenmaschine und können daher vom Dreh-Hubkolben, ebenso wie eventuelle Querkräfte infolge der Mediumsdrücke, problemlos und reibungsarm aufgenommen werden.
Keine Querkräfte entstehen normalerweise bei den Dreh-Hubkolben-­Maschinen mit mindestens zwei Hubzyklen pro Umdrehung.
Und auch die Mediumsdrücke erzeugen keinerlei Querkräfte, wenn die Kolbenstirnfläche entsprechend (z.B. punktsymmetrisch) gestaltet ist (Bild 5 c..e).
Zurück zur Schmierung: Um zu vermeiden, dass das Schmiermittel in den Arbeitraum oder in die Auslassöffnugnen gelangt, wird im Zylinder ein Abstreifring montiert.
The rotation of the piston on the cylinder wall can be used to achieve a hydrodynamic lubrication state (floating on the lubrication film). - Mixed friction usually occurs here with the conventional reciprocating piston engine.
In addition, this increases the ability to absorb any lateral forces that may be present. - The conventional crank mechanism generates a transverse force on the piston, which changes in amount and direction with the crankshaft rotation (cause of the piston tipping).
With the rotary reciprocating machine, it depends on the type of construction whether lateral forces occur at all:
Shear forces are present on the machines with only one stroke cycle per revolution and only one device for generating movement per piston (exception: certain types of claim 4). The eccentric force application creates a moment on the piston, which manifests itself as a pair of transverse forces. These transverse forces on the (double-acting) rotary piston are roughly comparable to those of the reciprocating piston machine and can therefore be absorbed by the rotary piston, as well as possible transverse forces due to the medium pressures, without any problems and with little friction.
No lateral forces normally arise on the rotary reciprocating machines with at least two lifting cycles per revolution.
And the medium pressures also do not generate any transverse forces if the piston face is designed accordingly (eg point symmetry) (Fig. 5 c..e).
Back to the lubrication: In order to prevent the lubricant from getting into the work area or the outlet openings, a scraper ring is installed in the cylinder.

27. Die einfache Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewe­gung nach einem der Ansprüche 4..7, 9..13 hat auch dann Vortei­le, wenn die Kolbendrehung nicht erwünscht ist und daher aufge­hoben wird. Typisches Anwendungsbeispiel ist die Membranpumpe.

  • Bild 1: Schematische Zeichnung eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben-Motors mit vier Arbeiträumen, Ladungswechsel nach Anspruch 1, Erzeugung der Kolbenbewegung nach Anspruch 5. (Vgl. auch Bild 13)
  • Bild 2: Illustration der Steuerung des Gaswechsels mit den Kolben. Die Kolbenbewegung wird mit einem konventionellen Kreuzkopf-Kurbeltrieb erzeugt. Zusätzlich wird wird eine Drehbewegung überlagert.
  • Bild 3: Schema des Ladungswechsels bei einer Pumpe. Gleichzeitig findet ein Hubzyklus statt. Jede halbe Hublänge ist gezeichnet.
  • Bild 4: Schema der 4 Takte eines Verbrennungsmotors (2 Hubzyklen).
  • Bild 5: Kolbenform - Beispiele:
    a, b: asymmetrische Kolben,
    c,d,e: "querkraftfreie" Kolben (hier punktsymmetrisch)
  • Bild 6: Mechanische Umwandlung der Hub- in eine Drehbewegung nach Anspruch 5. Vergleiche auch Bild 1.
    a und b zeigen als Beispiele zwei verschiedene Arten des Längenausgleichs.
  • Bild 7 und 8: Erzeugung der Dreh-Hub-Bewegung des Kolbens nach Anspruch 6. Schematische Beispiele.
  • Bild 9: Mechanische Umwandlung der Hub- in eine Drehbewegung nach Anspruch 7. Beispiel mit scheibenähnlicher Kurvenbahn, ein Hubzyklus pro Umdrehung.
  • Bild 10: wie Bild 9, aber mit zwei Hubzyklen pro Umdrehung.
  • Bild 11: wie Bild 9, aber mit Kurvenbahn als umlaufende Nut.
  • Bild 12: Verbindung der Führungen mit Wippen (Anspruch 13)
  • Bild 13: Schematische Beispiel eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben-Motors mit vier Arbeitsräumen, um eine halbe Wellendrehung unterschiedlich dargestellt. Bewegungsumwndlung nach Anspruch 7. Vgl. auch Bild 1.
  • Bild 14: Beispiel einer Brennraumgestaltung für einen Dieselmotor mit Erzeugung von Turbulenz im torusförmigen Wirbelraum (43).
    Oben: Schnitte je durch beide Kolben im oberen Hubtotpunkt.
    Unten: Anschicht auf die Stirnseite des unteren Kolbens.
  • Bild 15: Drehmomentübertragung zw. zentraler Welle und Kolben mit Membrane (a), mit Balg (b).
  • Bild 16: Integrierter Vorverdichter nach Anspruch 3, 8, 14 und 16 mit innerem, drehenden Kolben im Dreh-Hubkolben, schematisches Beispiel.
  • Bild 17: Dreh-Hubkolben-Maschine mit elektrischer Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4. Links ist die Steuerung des Ladungswechsels konventionell mit Ventilen dargestellt, rechts gemäss Anspruch 1. Die Mantelfläche des Ankers ist oben durch das konzentrierte Magnetfeld des Stators axial geführt.
  • Bild 18: Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4 und 9. Beispiel für nicht dauermagnetischen, aber magnetisierbaren An­ker. Ein Hubzyklus pro Umdrehung. Die Hilfswicklung (46) dient nur für den Start der Maschine.
  • Bild 19: wie Bild, aber als Unterschied mit zwei zusätzlichen Stellen, an denen Treiberpole (45) angeordnet sind. Die Treiber­pole werden zueinander zeitlich verschoben (phasenverschoben) angesteuert. Hilfswicklungen für den Start sind nicht nötig.
  • Bild 20: Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4 und 9. Der Anker ist nicht dauermagnetisch, aber magnetisierbar. Zwei Hubzyklen pro Umdrehung. Zwei Führungspole (44) und zwei Stellen am Stator, wo der Stator den Anker treibt (45).
  • Bild 21: wie Bild 20, aber mit 4 Stellen, die den Anker treiben. Beispiel mit Mehrphasen-Wechselstrom (Drehstrom).
  • Bild 22: Form des Ankers von Bild 20 und 21. Beachte die Analo­gie zur Form der Kurvenbahn nach Anspruch 7, Bild 2 b.
27. The simple conversion of the stroke movement into a rotary movement according to one of the claims 4..7, 9..13 also has advantages if the piston rotation is not desired and is therefore canceled. A typical application example is the diaphragm pump.
  • Figure 1 : Schematic drawing of a two-stroke rotary piston engine with four working spaces, charge change according to claim 1, generation of the piston movement according to claim 5. (See also Figure 13)
  • Figure 2 : Illustration of the control of the gas exchange with the pistons. The piston movement is generated with a conventional crosshead crank drive. In addition, a rotary movement is superimposed.
  • Figure 3 : Scheme of the charge change for a pump. A lifting cycle takes place at the same time. Every half stroke length is drawn.
  • Fig. 4 : Scheme of the 4 cycles of an internal combustion engine (2 lifting cycles).
  • Figure 5 : Piston shape - examples:
    a, b: asymmetrical pistons,
    c, d, e: "shear-free" pistons (here point-symmetrical)
  • Figure 6 : Mechanical conversion of the stroke into a rotary motion according to claim 5. Compare also Figure 1.
    a and b show two different types of length compensation as examples.
  • 7 and 8 : Generation of the rotary-stroke movement of the piston according to claim 6. Schematic examples.
  • Figure 9 : Mechanical conversion of the stroke into a rotary movement according to claim 7. Example with a disc-like cam track, one stroke cycle per revolution.
  • Picture 10 : like picture 9, but with two lifting cycles per revolution.
  • Picture 11 : like picture 9, but with curved track as a circumferential groove.
  • Figure 12 : Connection of the guides with rockers (claim 13)
  • Figure 13 : Schematic example of a 2-stroke rotary piston engine with four working spaces, shown differently by half a shaft rotation. Movement conversion according to claim 7. See also Figure 1.
  • Figure 14 : Example of a combustion chamber design for a diesel engine with turbulence generation in the toroidal swirl chamber (43).
    Above: cuts through both pistons at the top dead center.
    Bottom: Layer on the face of the lower piston.
  • Figure 15 : Torque transmission between the central shaft and piston with diaphragm (a), with bellows (b).
  • Figure 16 : Integrated pre-compressor according to claim 3, 8, 14 and 16 with an inner, rotating piston in the rotary piston, schematic example.
  • Figure 17 : Rotary reciprocating machine with electrical generation of the rotary stroke movement according to claim 4. The control of the charge exchange is shown conventionally on the left with valves, on the right according to claim 1. The outer surface of the armature is guided axially through the concentrated magnetic field of the stator.
  • Figure 18 : Generation of the rotary stroke movement according to claim 4 and 9. Example of non-permanently magnetic, but magnetizable armature. One stroke cycle per revolution. The auxiliary winding (46) is only used to start the machine.
  • Image 19 : like image, but as a difference with two additional places where driver poles (45) are arranged. The driver poles are shifted in time from one another (out of phase). Auxiliary windings for the start are not necessary.
  • Figure 20 : Generation of the rotary stroke movement according to claim 4 and 9. The armature is not permanently magnetic, but can be magnetized. Two lifting cycles per revolution. Two guide poles (44) and two locations on the stator where the stator drives the armature (45).
  • Picture 21 : like picture 20, but with 4 places that drive the anchor. Example with multi-phase alternating current (three-phase current).
  • Figure 22 : Shape of the anchor of Figures 20 and 21. Note the analogy to the shape of the cam track according to claim 7, Figure 2 b.

BildlegendeCaption

1 Zylinder
1a,b,c Zylinderteile
2 Dreh-Hubkolben (macht Dreh-Hub-Bewegung)
3 Kurvenbahn
4 Führungen
5 Kolben, nur rotierend
6 Kolbenringe
7 Arbeitsraum
7a dito, Maximalvolumen
7b dito, Endvolumen oder Endkompressionsvolumen
8 Einlasskanal
9 Auslasskanal
10 Einlassströmung
11 Auslassströmung
12 Zündkerzen
13 Einspritzdüse (Diesel)
14 durchgehende, zentrale Welle
15 Radial-Wellendichtring
16 Wippe
17 Wippenlagerung
18 Membrane (zur Drehmomentübertragung)
19 Balg (zur Drehmomentübertragung)
20 Anker
21 Stator
22 Antrieb zur Erzeugung der Kolbendrehung
23 Kolbenstange
24 Axiallager
25 Kreuzkopf
26 Kreuzkopf-Gleitbahn
27 Pleuelstange
28 Kurbelwelle
29 Ventil
30 Ansaugkanal über Hohlwelle
31 rotierender, innerer Vorverdichterkolben
32 Rückschlag - Ventil
33 Auslasskanal des ververdichteten Mediums aus dem Dreh-Hubkolben.
34 Einlasskanal des vorverdichteten Mediums in den Arbeitsraum des Zylinders
35 taumelscheibenartige Welle, scheibenförmig in Kolben eingesenkt.
36 taumelscheibenartige Welle, in Kolben eingesenkt.
37 geometrische Mittel-Achse der taumelscheibenartigen Welle
38 Uebertragungselement
39 Gelenkpunkt zwischen dem Uebertragungselement und dem Zylinder
40 Hohlwelle
41 geometrische Mittel-Achse der Hohlwelle (schneidet die Zylinderachse)
42 Gelenkpunt zwischen dem Kolben un der Hohlwelle
43 torusförmiger Wirbelraum
44 Magnetpol, welcher den Anker führt
45 Magnetpol, welcher den Anker treibt Bezeichnung als Beisp.:
"N" = Nordpol
"S" = Südpol
46 Hilfswicklung für Start
1 cylinder
1a, b, c cylinder parts
2 rotary pistons (makes rotary-stroke movement)
3 curved track
4 tours
5 pistons, only rotating
6 piston rings
7 work space
7a same, maximum volume
7b ditto, final volume or final compression volume
8 inlet duct
9 outlet duct
10 inlet flow
11 outlet flow
12 spark plugs
13 injector (diesel)
14 continuous, central wave
15 radial shaft seal
16 seesaw
17 Rocker storage
18 diaphragm (for torque transmission)
19 bellows (for torque transmission)
20 anchors
21 stator
22 Drive for generating the piston rotation
23 piston rod
24 thrust bearings
25 crosshead
26 crosshead slideway
27 connecting rod
28 crankshaft
29 valve
30 intake duct via hollow shaft
31 rotating inner pre-compression piston
32 Check valve
33 Outlet channel of the compressed medium from the rotary piston.
34 Inlet channel of the pre-compressed medium into the working space of the cylinder
35 swashplate-like shaft, disc-shaped in piston.
36 swashplate-like shaft, sunk in the piston.
37 geometric center axis of the swashplate-like shaft
38 transmission element
39 pivot point between the transmission element and the cylinder
40 hollow shaft
41 geometric central axis of the hollow shaft (intersects the cylinder axis)
42 pivot point between the piston and the hollow shaft
43 toroidal vertebral space
44 magnetic pole, which guides the armature
45 magnetic pole, which drives the armature
"N" = North Pole
"S" = South Pole
46 Auxiliary winding for start

Claims (28)

1. Kolbenmaschine, mit einem oder mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Kraft- oder Arbeitsmaschine,
dadurch gekennzeichnt, dass
synchron miteinander um die Zylindermittelachse drehende Kolben den Arbeitsraum oder die Arbeitsräume beidseitig begrenzen,
wobei mindestens einer der beiden einen Arbeitsraum begren­zenden Kolben zusätzlich zur Drehbewegung auch eine oscillie­rende Hubbewegung parallel zur Zylinderachse ausführt, und dass mindestens einer dieser beiden Kolben eine oder mehrere Oeffnungen in der Zylinderwand steuert, indem er mit seiner Mantelfläche bei jedem Arbeitszyklus Oeffnungen zu­deckt oder freigibt,
wobei die Stirnflächen beider Kolben so geformt sind, dass diejenige Kantenlinie, welche die dem Arbeitsraum zuge­wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel­fläche begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, nicht in ei­ner Ebene senkrecht zur Zylindermittelachse liegt,
und dass die Stirnflächen der beiden Kolben, in bezug auf ihre Form und ihre Lage zueinander, im oberen Hubtotpunkt so ineinander passen, dass ein je nach Verwendungszweck der Ma­schine beliebig kleines Endvolumen erreicht wird,
    oder, dass
der Arbeitsraum nur auf einer Stirnseite von einem oben be­schriebenen Kolben begrenzt ist, welcher eine Drehbewegung oder Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen in der Zy­lindermantelfläche steuert, und dass der Arbeitsraum auf der andern Stirnseite durch eine Stirnfläche begrenzt ist, welche nicht synchron mitdreht,
wobei die beiden einen Arbeitsraum begrenzenden Stirnflächen, in bezug auf ihre Form und ihre Lage zueinander, im oberen Hubtotpunkt so ineinander passen, dass ein kleines Endvolumen erreicht wird, wobei jedoch, zur Vermeidung eines Zusammen­ stosses zwischen der drehenden und der nicht drehenden Stirnfläche, der drehende Kolben im Bereich des oberen Hub­totpunktes keine oder nur eine so geringe Drehbewegung aus­führt, wie es der Abstand zwischen den beiden Stirnflächen und die Form der Stirnflächen erlaubt,
wobei, bei allen Varianten, die Kolbenstirnfläche entweder so geformt ist, dass der statische Druck des Arbeitsmediums auf die Kolbenstirnfläche eine resultierende Kraft mit axia­ler und radialer Komponente bewirkt, oder so, dass sich die radialen Kraftkomponenten gegenseitig aufheben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.
1. piston machine, with one or more working spaces per cylinder, usable as a power or working machine,
characterized in that
Pistons rotating synchronously with each other around the cylinder central axis delimit the working area or the working areas on both sides,
wherein at least one of the two pistons delimiting a working space also performs an oscillating stroke movement parallel to the cylinder axis in addition to the rotary movement, and that at least one of these two pistons controls one or more openings in the cylinder wall by covering or opening openings with its outer surface during each working cycle,
the end faces of both pistons being shaped such that the edge line which delimits the piston end face facing the working space and at the same time also the piston skirt surface and therefore acts as a control edge is not in a plane perpendicular to the cylinder central axis,
and that the end faces of the two pistons, in terms of their shape and their position relative to one another, fit into one another at the top dead center of the stroke in such a way that an arbitrarily small final volume is reached depending on the intended use of the machine,
or that
the working space is only limited on one end face by a piston described above, which executes a rotary movement or a rotary stroke movement and controls the openings in the cylinder jacket surface, and that the working space on the other end face is limited by an end face which does not rotate synchronously,
the two end faces delimiting a working space, in terms of their shape and their position relative to one another, fit into one another in the top dead center of the stroke in such a way that a small final volume is achieved, but in order to avoid a combination butt between the rotating and the non-rotating end face, the rotating piston in the area of the upper dead center of the stroke does not perform any or only a slight rotational movement as the distance between the two end faces and the shape of the end faces allows,
where, in all variants, the piston face is either shaped so that the static pressure of the working medium on the piston face causes a resultant force with an axial and radial component, or so that the radial force components cancel each other out so that only one axial force acts on the Piston results.
2. Kolbenmaschine, mit einem oder mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Kraft- oder Arbeitsmaschine,
dadurch gekennzeichnt, dass
der Kolben eine oscillierende Hubbewegung parallel zur Zylin­derachse und eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt und eine oder mehrere Oeffnugen in der Zylinderwand steuert, indem er mit seiner Mantelfläche bei jedem Arbeitszyklus Oeffnungen zudeckt oder freigibt,
wobei diejenige Kantenlinie, welche die dem Arbeitsraum zuge­wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel­fläche begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, nicht in einer Ebene liegt, aber auch zugleich so plaziert ist, dass sich die, vom Druck des Arbeitsmediums herrührenden, radialen Kraftkomponenten auf die Kolbenstirnfläche gegenseitig aufhe­ben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.
2. piston machine, with one or more working spaces per cylinder, usable as a power or working machine,
characterized in that
the piston carries out an oscillating stroke movement parallel to the cylinder axis and a rotary movement around the cylinder axis and controls one or more openings in the cylinder wall by covering or uncovering openings with its outer surface during each working cycle,
the edge line that delimits the piston end face facing the working chamber and at the same time also the piston skirt surface and therefore acts as a control edge, does not lie in one plane, but is also placed in such a way that the radial force components resulting from the pressure of the working medium are on the piston end face cancel each other out so that only one axial force results on the piston.
3. Kolbenmaschine mit mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Arbeits- oder Kraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Kolben, welcher eine oscillierende Hubbe­wegung und eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt, mit seinen Innenflächen als Zylinder dient für einen darin eingeschlossenen, zusätzlichen inneren Kolben, welcher auf einer in den Dreh-Hubkolben hineinreichenden oder durch den Dreh-Hubkolben durchgehenden zentralen Welle oder Achse befe­stigt ist und daher relativ zum ihn umschliessenden Dreh-Hub­kolben eine oscillierende Hubbewegung macht, wodurch dieses innere System ebenfalls als Arbeits- oder Kraftmaschine wirkt.
3. piston machine with several working spaces per cylinder, usable as working or power machine,
characterized,
that at least one piston, which carries out an oscillating stroke movement and a rotary movement about the cylinder axis, serves with its inner surfaces as a cylinder for an additional inner piston enclosed therein, which acts on a central shaft or axis extending into the rotary piston or passing through the rotary piston is fastened and therefore makes an oscillating lifting movement relative to the rotating piston surrounding it, as a result of which this internal system also acts as a working or power machine.
4. Vorrichtung zur Umwandlung einer oscillierenden Hubbewegung in eine Drehbewegung - oder umgekehrt -,
oder zur Erzeugung einer Hub-, Dreh- oder Dreh-Hubbewegung mittels elektrischer Energie
oder zur Erzeugung von elektrischer Energie aus den genannten Bewegungen,
insbesondere in Anwendung für die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bei Kolbenmaschinen,
dadurch gekennzeichnet, dass
diese Funktionen von einem Elektromotor oder Elektrogenerator verursacht werden, dessen Anker relativ zum Stator eine Dreh­bewegung und gleichzeitig eine oscillierende Hubbewegung aus­führt, wobei diese Dreh-Hubbewegung dadurch erreicht wird, dass der Anker so geformt ist, dass die beiden Kantenlinien, welche die Mantelfläche des Ankers axial begrenzen, nicht in einer Ebene senkrecht zur Drehbewegungsachse liegen, so dass also der Anker schräg zur Drehbewegungsachse angeordnet ist oder Wellen in axialer Richtung aufweist, und dass a) der Anker mit daran ortsfesten Magnetpolen oder Wicklungen ausgeführt ist und die Mantelfläche des Ankers durch konzent­rierte magnetische Kraftwirkung an einer oder an mehreren, meist ortsfesten Stellen des Stators axial geführt wird, wo­bei an denjenigen Stellen des Stators, wo die Mantelfläche des Ankers eine axiale Bewegung relativ zum Stator ausführt, diese axiale Bewegung durch den Stator mittels axial oder axial-tangential wirkender oscillierender magnetischer Kraft­wirkung unterstützt wird, oder nicht behindert wird, indem das Statorfeld dort, bezüglich der axialen Breite, nicht kon­zentriert, oder Null ist, oder b) dass der Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermag­netischem Werkstoff besteht und an seiner Mantelfläche eine ungefähr gleichbleibende axiale Breite aufweist, und dass der Stator an mindestens zwei Stellen an seinem Umfang mit magne­tischen Kräften auf den Anker einwirkt, nämlich so, dass der Stator durch mindestens ein konzentriertes Magnetfeld den An­ker magnetisiert und dadurch auf dem Anker eine ganze Anzahl Pol-Paare erzeugt, und dass an mindestens einer Stelle des Stators, wo die Mantelfläche des Ankers sich relativ zum Sta­tor bewegt und wo der Anker infolge des Statorfeldes einen Pol aufweist, der Stator durch axial oder axial-tangential wirkende oscillierende magnetische Kraftwirkung auf den Anker einwirkt,
4. Device for converting an oscillating stroke movement into a rotary movement - or vice versa -
or to generate a lifting, rotating or rotating lifting movement by means of electrical energy
or to generate electrical energy from the movements mentioned,
especially in use for the rotary stroke movement of the piston in piston machines,
characterized in that
these functions are caused by an electric motor or electric generator, the armature of which rotates relative to the stator and at the same time performs an oscillating lifting movement, this rotating lifting movement being achieved in that the armature is shaped in such a way that the two edge lines which form the outer surface of the armature limit axially, do not lie in a plane perpendicular to the axis of rotation, so that the armature is arranged obliquely to the axis of rotation or has waves in the axial direction, and that a) the armature is designed with stationary magnetic poles or windings and the outer surface of the armature is guided axially by concentrated magnetic force at one or more, usually stationary, locations of the stator, with those locations of the stator where the outer surface of the armature is axial Executes movement relative to the stator, this axial movement is supported by the stator by means of axially or axially tangentially acting oscillating magnetic force action, or is not impeded by the stator field there, with respect to the axial width, not being concentrated or being zero, or b) that the armature is made of magnetizable but not permanently magnetic material and has an approximately constant axial width on its outer surface, and that the stator acts on the armature with magnetic forces at least two points on its circumference, namely in such a way that the stator passes through at least one concentrated magnetic field magnetizes the armature and thereby generates a whole number of pole pairs on the armature, and that at least one point on the stator where the outer surface of the armature moves relative to the stator and where the armature has a pole as a result of the stator field, the stator acts on the armature by means of oscillating magnetic force acting axially or axially tangentially,
oder dass, als Alternative zu den genannten Varianten, der aussen angeordnete Stator die beschriebenen Funktionen und Merkmale des Ankers aufweist und analog der Anker die be­schriebenen Funktionen und Merkmale des Stators aufweist.or that, as an alternative to the variants mentioned, the stator arranged on the outside has the described functions and features of the armature and analogously the armature has the described functions and features of the stator. 5. Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh­bewegung um die Zylinder-Mittelachse - oder umgekehrt -, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine taumelscheibenartige Welle, deren Mittel­achse die Zylinderachse in einem Schnittpunkt schneidet, in den Dreh-Hubkolben eingeformt oder mit dem Dreh-Hubkol­ben verbunden ist,
dass auf dieser taumelscheibenartigen Welle ein Uebertra­gungselement drehbar um die Wellenachse, jedoch sonst ohne relative Bewegungsfreiheitsgrade, gelagert ist,
und dass dieses Uebertragungselement auch an den Zylinder angelagert ist, und zwar solcherart,
dass dem Uebertragungselement Schwenkbewegungen um alle drei Koordintatenachsen oder zumindest um diejenigen zwei Koordinatenachsen erlaubt sind, welche in einer Ebene senk­recht zur Achse der taumelscheibenartigen Welle liegen, und
dass dieser gelenkige Lagerpunkt in geometrisch geführter Weise ungefähr in Richtung radial zur Zylinderachse ver­schiebbar ist, oder dass das Uebertragungselement eine Län­genänderung bezüglich des Abstands zwischen seiner Lagerung am Zylinder und seiner Lagerung auf der Welle zulässt.
5. Piston machine, in which the oscillating stroke movement of the piston relative to the cylinder is converted into a rotary movement about the cylinder central axis - or vice versa - whereby a rotary stroke movement arises,
characterized in that
at least one swashplate-like shaft, the central axis of which intersects the cylinder axis at an intersection, is molded into the rotary piston or is connected to the rotary piston,
that a transmission element is rotatably mounted on this swashplate-like shaft about the shaft axis, but otherwise without relative degrees of freedom of movement,
and that this transmission element is also attached to the cylinder, in such a way that
that the transmission element is permitted pivoting movements about all three coordinate axes or at least about those two coordinate axes which lie in a plane perpendicular to the axis of the swashplate-like shaft, and
that this articulated bearing point can be moved in a geometrically guided manner approximately radially to the cylinder axis, or that the transmission element permits a change in length with respect to the distance between its mounting on the cylinder and its mounting on the shaft.
6. Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh­bewegung um die Zylinder-Mittelachse - oder umgekehrt -,
wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht,
dadurch gekennzeichnet, dass
mindestens eine kurze Hohlwelle so im Zylinder eingelagert oder mit dem Zylinder verbunden ist, dass sie um ihre ei­gene Achse drehbar ist, wobei ihre eigene Achse ungefähr im Mittelpunkt der Hohlwelle die Zylinderachse schneidet, dass mindestens eine solche Hohlwelle auf ihrer Innenseite, an einer Stelle ausserhalb der Zylinder-Mittelachse, an den Dreh-Hubkolben angelagert ist, und zwar solcherart,
dass diese Lagerung relative Schwenkbewegungen zwischen der Hohlwelle und dem Dreh-Hubkolben um alle drei Koordinaten­achsen oder zumindest um diejenigen zwei rechtwinkligen Koordinatenachsen erlaubt, welche in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Hohlwelle liegen,
und dass diese Lagerstelle in ungefähr radialer Richtung zur Achse des Dreh-Hubkolbens oder in ungefähr radialer Richtung zur Drehachse der Hohlwelle auf geometrisch ge­führte Weise verschiebbar ist.
6. piston machine, in which the oscillating stroke movement of the piston relative to the cylinder is converted into a rotary movement about the cylinder central axis - or vice versa -,
whereby a rotary stroke movement arises,
characterized in that
at least one short hollow shaft is embedded in the cylinder or connected to the cylinder in such a way that it can be rotated about its own axis, its own axis intersecting the cylinder axis approximately at the center of the hollow shaft, that at least one such hollow shaft on its inside, at a point outside the cylinder center axis, on which rotary reciprocating pistons are attached, in such a way that
that this mounting permits relative pivoting movements between the hollow shaft and the rotary reciprocating piston around all three coordinate axes or at least about those two right-angled coordinate axes which lie in a plane perpendicular to the axis of rotation of the hollow shaft,
and that this bearing point is displaceable in a geometrically guided manner in an approximately radial direction to the axis of the rotary reciprocating piston or in an approximately radial direction to the axis of rotation of the hollow shaft.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Drehbewegung um die Zy­linder-Mittelachse - oder umgekehrt -,
mittels mindestens einer räumlichen Kurvenbahn,
welche sich auf eine oder mehrere Führungen, bestehend aus Führungselementen wie beispielsweise Rollen oder Gleiter, abstützt und relativ zu diesen Führungen rotiert,
wobei die Kurvenbahn beispielsweise gestaltet ist als scheibenförmige Kurvenbahn
oder als umlaufende Nut, in welche die Führung greift.
7. Piston machine according to one of claims 1, 2 or 3,
characterized,
that the oscillating stroke movement of the piston relative to the cylinder is converted into a rotary movement about the cylinder central axis - or vice versa -,
by means of at least one spatial cam track,
which is supported on one or more guides, consisting of guide elements such as rollers or sliders, and rotates relative to these guides,
wherein the cam track is designed, for example, as a disk-shaped cam track
or as a circumferential groove in which the guide engages.
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuerung des Ladungswechsels in mindestens einem äusseren Arbeitsraum gemäss Anspruch 1 oder 2 erfolgt.
8. Piston machine according to claim 3,
characterized in that
the charge change is controlled in at least one outer work space according to claim 1 or 2.
9. Kolbenmaschine nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Maschine als Gleichstrom-Maschine oder als Einphasen - ­oder Mehrphasen - Wechselstrom-Maschine gebaut ist und dass die ganze Anzahl n Stellen, wo der Stator die Mantelfläche des Ankers axial führt, gleich der Anzahl n identischer Hub­zyklen pro Umdrehung ist, und dass diese n Führungsstellen zueinander in identischen Winkel-Abständen bezüglich der Drehachse ortsfest am Stator angeordnet sind,
und dass bei der Variante mit nicht dauermagnetischem, spu­lenlosen Anker, a) bei der Gleichstrom-Maschine
entweder bei allen n Führungsstellen des Stators die Polari­tät konstant bleibt und zwischen den Führungsstellen eine ganze Anzahl axial oder axial-tangential wirkende, treibende magnetische Kräfte vom Stator auf den Anker wirken, indem an diesen Treiberstellen je zwei Spulen in axialer Richtung nebeneinander liegen, die mit unterschiedlichen Polaritäten den magnetisierten Anker anziehen bzw. abstossen und durch Polumschaltung ihre Polarität periodisch wechseln, oder dass alle n Führungsstellen ihre Polarität gemeinsam periodisch wechseln, während die je 2 Pole an den Treiberstellen des Stators konstant bleiben,
b) bei der Einphasen-Wechselstrommaschine
die Anordnung der Pole analog zur Gleichstrom-Maschine ist, die Polarität jedoch durch den Stromverlauf wechselt, wobei für die konstanten Magnetpole der Strom gleichgerichtet wird, oder ein Dauermagnet verwendet wird,
c) bei der Mehrphasen-Drehstrom-Maschine
die Pole der n axialen Führungsstellen des Stators konstant bleiben und die, je dazwischen liegenden, treibenden Felder durch je mehrere, axial nebeneinander gereihte, Spulen er­zeugt werden, welche mittels Drehstrom ein axial wanderndes Feld erzeugen und den Anker mitbewegen, wobei an den Bewe­gungstotpunkten entweder die Richtung des Drehstroms oder die Polung der Führungsstellen gewechselt wird,
wobei, bei gewissen Ausführungsarten, für den Start der Ma­schine oder für die Bestimmung der Drehrichtung, noch eine oder mehrere Hilfsspulen nötig sind, welche beispielsweise, relativ zu den andern Spulen um einen Winkel bezüglich der Drehachse versetzt, am Stator plaziert werden.
9. Piston machine according to claim 4,
characterized in that
the machine is constructed as a direct current machine or as a single-phase or multi-phase alternating current machine and that the whole number n places where the stator axially guides the outer surface of the armature is equal to the number n identical lifting cycles per revolution, and that these n Guide points are arranged at identical angular intervals with respect to the axis of rotation in a stationary manner on the stator,
and that in the variant with non-permanent magnetic, coilless armature, a) in the DC machine
Either the polarity remains constant at all n guide points of the stator and a large number of axially or axially tangentially acting, driving magnetic forces from the stator act on the armature between the guide points, by two coils lying axially next to each other at these driver points different polarities attract or repel the magnetized armature and periodically change their polarity by changing the polarity, or that all n guide points change their polarity periodically together, while the two poles at the driver points of the stator remain constant,
b) in the single-phase AC machine
the arrangement of the poles is analogous to the DC machine, but the polarity changes due to the current profile, the current being rectified for the constant magnetic poles, or a permanent magnet is used,
c) in the multi-phase three-phase machine
the poles of the n axial guide points of the stator remain constant and the driving fields, which lie between them, are generated by several coils, which are arranged axially next to one another, which generate an axially moving field by means of three-phase current and move the armature, whereby either the Direction of the three-phase current or the polarity of the control points is changed,
whereby, in certain embodiments, one or more auxiliary coils are necessary for starting the machine or for determining the direction of rotation, which are placed on the stator, for example, offset relative to the other coils by an angle with respect to the axis of rotation.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Radial-Lagerfläche der taumelscheibenartigen Welle zwischen den Axial-Führungsflächen eingeformt ist, so dass das Uebertragungselement zwischen die Axial-Füh­rungsflächen eingelagert ist und mit seinen Seitenflächen die Axialführung übernimmt,
oder dass die taumelscheibenartige Welle wie eine Kreis­scheibe geformt ist, welche vom Uebertragungselement von aussen her umgriffen wird, so dass die Kreisscheiben-Man­telfläche als Radial-Lagerfläche und der äussere Bereich der beiden Seitenflächen als Axial-Lagerflächen dienen, wobei bei beiden Varianten das Uebertragungselement auf der taumelscheibenartige Welle mit Gleitlagern oder bei­spielsweise, in entsprechend angepasster Bauweise, mit Wälzlagern gelagert ist.
10. Piston machine according to claim 5,
characterized,
that the radial bearing surface of the swashplate-like shaft is molded between the axial guide surfaces, so that the transmission element is embedded between the axial guide surfaces and takes over the axial guidance with its side surfaces,
or that the swashplate-like shaft is shaped like a circular disk, which is encompassed by the transmission element from the outside, so that the circular disk outer surface serves as a radial bearing surface and the outer region of the two side surfaces serves as an axial bearing surface, the transmission element being open in both variants the swashplate-like shaft with plain bearings or, for example, in a correspondingly adapted design, is mounted with roller bearings.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die taumelscheibenartige Welle und das darauf gelagerte Uebertragungselement so ausgebildet sind, dass sie zusam­men einen Elektromotor oder Elektrogenerator bilden, so dass infolge magnetischer Kraftwirkung ein Drehmoment zwi­schen diesen beiden Teilen entsteht, wodurch aus elektri­scher Energie die Kolbenbewegung erzeugt, oder umgekehrt aus der Kolbenbewegung elektrische Energie erzeugt wird,
11. Piston machine according to claim 5 or 10,
characterized in that
the swashplate-like shaft and the transmission element mounted thereon are designed such that they together form an electric motor or electric generator, so that due to the action of magnetic force, a torque is generated between these two parts, whereby the piston movement is generated from electrical energy or, conversely, electrical energy is generated from the piston movement becomes,
12. Kolbenmaschine nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Leistungsübertragung der Maschine nach aussen durch die drehende Hohlwelle erfolgt, beispielsweise mechanisch mittels Zahnräder,
oder indem die Hohlwelle und deren Lagerung im Zylinder so ausgebildet sind, dass sie zusammen einen Elektromotor oder Elektrogenerator bilden, wodurch mittels elektrischer Energie die Drehung der Hohlwelle, oder durch die Drehung der Hohlwelle elektrische Energie erzeugt wird.
12. Piston machine according to claim 6,
characterized in that
the machine transmits power externally through the rotating hollow shaft, for example mechanically by means of gears,
or in that the hollow shaft and its mounting in the cylinder are designed such that together they form an electric motor or electric generator, whereby electrical energy is used to generate the rotation of the hollow shaft, or electrical energy is generated by the rotation of the hollow shaft.
13. Kolbenmaschine nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass Führungsrollen oder Gleiter durch Wippen miteinander verbunden sind.
13. Piston machine according to claim 7,
characterized,
that guide rollers or gliders are connected to each other by rocking.
14. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die dazugehörigen Kolbenbewegungen gemäss Anspruch 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 oder 13 entstehen.
14. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3 or 8,
characterized,
that the associated piston movements according to claim 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 or 13 arise.
15. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1,2,3,7,8,13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass
die Kolbenform und die Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung auf den Verwendungszweck und das Arbeitsverfahren der Maschi­ne, beispielsweise 2-Takt oder 4-Takt, so abgestimmt ist, dass sich die Abfolge der von der Kolbenbewegung und der Kolbenform abhängingen Steuerung von Oeffnungen in der Zy­linderwand periodisch mit dem Arbeitszyklus der Maschine wiederholt,
nämlich indem beispielsweise der Kolben bei einem 4-Takt-­Motor zwei Hubzyklen pro Umdrehung macht und bei einer 2-Takt-Maschine, einem Verdichter oder bei einer Pumpe einen Hubzyklus pro Umdrehung, und bei einem 2-Takt-Ver­brennungsmotor, welcher mit dem Dreh-Hubkolben und nicht mit einem nur drehenden Kolben den Ladungswechsel steuert, einen halben Hubzyklus pro Umdrehung,
wobei für diejenigen Kolbenformen, bei denen sich die für die Steuerung wirksame Form der Kantenlinie, welche die Kolbenmantelfläche stirnseitig begrenzt, schon nach einem Bruchteil einer Umdrehung geometrisch periodisch wieder­holt, die genannte Anzahl Hubzyklen nicht pro Umdrehung sondern pro entsprechendem Bruchteil einer Umdrehung gilt.
15. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3, 7, 8, 13 or 14, characterized in that
the shape of the piston and the number of lifting cycles per revolution are matched to the intended use and the working method of the machine, for example 2-stroke or 4-stroke, so that the sequence of the control of openings in the cylinder wall, which is dependent on the movement of the piston and the shape of the piston, periodically changes repeated the machine cycle,
namely, for example, the piston makes two stroke cycles per revolution in a 4-stroke engine and one stroke cycle per revolution in a 2-stroke machine, a compressor or a pump, and in a 2-stroke internal combustion engine which rotates -Hub piston and not with a rotating piston controls the charge change, half a stroke cycle per revolution,
for those piston shapes in which the shape of the edge line effective for the control, which delimits the piston lateral surface at the front, repeats itself periodically after a fraction of a revolution, the stated number of stroke cycles does not apply per revolution but per corresponding fraction of a revolution.
16. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1,2,3,7,8,13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet,
dass die Fähigkeit des Kolbens, durch seine Form und durch seine Drehbewegung oder Dreh-Hubbewegung, Oeffnungen in der Zylinderwand beliebig zu steuern, ausgenützt wird, um folgende Zwecke zu erfüllen, nämlich
um das Arbeitsmedium, sortiert nach Gehalt an innerer Energie, in verschiedene Auslasskanäle ausströmen zu las­sen, sodass beispielsweise beim Verbrennungsmotor nach der Verbrennung die noch energiereichen Auspuffgasse unter ho­hem Druck dem Abgasturbolader zugeführt werden und dann die verbleibenden Auspuffgase unter niedrigem Druck in einen andern Kanal ausgestossen werden,
und / oder um, zwecks Leistungs- oder Mengenregulierung, anstatt das Arbeitsmedium beim Ansaugen verlustvoll zu drosseln, das ungedrosselt angesaugte Arbeitsmedium zu Be­ginn des Verdichtungstaktes wieder teilweise ausströmen zu lassen durch eine Oeffnung in der Zylinderwand - oder durch mehrere, gestaffelt angeordnete Oeffnungen -, welche man mit Drosselklappen o.ä. verschliessen kann,
und / oder um zu bestimmten Zeitpunkten zusätzliche Medien ins Arbeitsmedium einströmen zu lassen.
16. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3, 7, 8, 13, 14 or 15, characterized in that
that the ability of the piston, through its shape and through its rotary movement or rotary stroke movement, to control openings in the cylinder wall as desired, is used to achieve the following purposes, namely:
in order to allow the working medium, sorted by content of internal energy, to flow out into various outlet channels, so that, for example, in the case of the internal combustion engine after combustion, the exhaust pipes, which are still high in energy, are fed to the exhaust gas turbocharger under high pressure and the remaining exhaust gases are then discharged into another channel under low pressure ,
and / or, in order to regulate output or volume, instead of throttling the working medium at a loss, let the unthrottled working medium flow out again at the beginning of the compression cycle through an opening in the cylinder wall - or through several, staggered openings - which one with throttle valves or similar can close,
and / or to allow additional media to flow into the working medium at certain times.
17. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Rotation oder Verwirbelung, welche durch die Dre­hung des Kolbens und = falls vorhanden = der zentralen Welle verursacht wird, verstärkt wird
durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche der dem Arbeitsmedium zugewandten Kolbenstirnseiten,
durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche der zentralen Welle, und/oder = falls vorhanden =
durch die Anordnung der Einlasskanäle in tangential-radia­ler Richtung zur Zylinderachse, und/oder
dass zusätzliche Rotationsbewegungen oder Verwirbelungen des Arbeitsmediums auch in andern Rotationsachsen erzeugt werden, indem die beiden Stirnflächen, welche den Arbeitsraum beidseitig begrenzen, so gestaltet sind, dass im oberen Hubtotpunkt das aus engen Quetschflächen heraus­gepresste Arbeitsmedium so in einen Wirbelraum einströmt, dass in jeder theoretischen Schnittebene betrachtet, wel­che durch den Wirbelraum geht und senkrecht zur Rotation­sachse der so erzeugten Wirbel liegt, das Arbeitmedium von verschiedenen Seiten her je tangential in den Wirbelraum einströmt, wobei dieser Wirbelraum beispielsweise die Form eines Torus aufweist.
17. Piston machine according to one of claims 1 to 16,
characterized,
that the rotation or turbulence caused by the rotation of the piston and = if present = the central shaft is increased
by an appropriate design of the surface of the piston end faces facing the working medium,
by appropriate design of the surface of the central shaft, and / or = if available =
by the arrangement of the inlet channels in the tangential-radial direction to the cylinder axis, and / or
that additional rotational movements or swirling of the working medium are also generated in other axes of rotation, in that the two end faces, which delimit the working space on both sides, are designed in such a way that the working medium squeezed out of narrow squeezing areas flows into a whirling space in the upper stroke dead center in such a way that in every theoretical cutting plane considered, which goes through the vertebral space and is perpendicular to the axis of rotation of the vertebrae generated in this way, the working medium flows tangentially into the vertebral space from different sides, this vertebral space having, for example, the shape of a torus.
18. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4...7 oder 9...17,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kinematik der ocillierenden Hubbewegung relativ zur Drehbewegung dem Verwendungszweck und dem Arbeitsver­fahren der Maschine angepasst wird, nämlich a) bei der Maschine nach Anspruch 4 oder 9 durch die Form des Ankers bzw. des Stators, b) bei der Maschine nach Anspruch 7 oder 13 durch die Formgebung der Kurvenbahn, c) bei der Maschine nach Anspruch 5, 10 oder 11 durch die Wahl des Winkels der Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle zur Zylinderachse, und durch den Abstand zwischen dem Schnittpunkt dieser beiden Achsen und dem Gelenk, wel­ches das Uebertragungselement mit dem Zylinder verbindet, durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson­ders der Längsverschiebbarkeit,
und durch die Schaffung eines - sonst eigentlich nicht er­forderlichen - Abstands zwischen der theoretischen Ebene, welche durch den erwähnten Schnittpunkt geht und senkrecht zur Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle steht, und dem Gelenk, wobei - im Falle einer konstruktiven Auftren­nung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funk­tionen - dasjenige Gelenk massgebend ist, welches dem Füh­rungselement die Schwenkbewegung um eine Achse radial zu einer der beiden erwähnten Mittelachsen erlaubt,
d) bei einer Maschine nach Anspruch 6 oder 12, in Analogie zur Maschine nach Anspruch 5, durch die Wahl des Winkels der Drehachse der Hohlwelle zur Zylinderachse, und durch den Abstand zwischen dem Schnittpunkt dieser beiden Mit­telachsen und der gelenkigen Verbindung des Kolbens mit der Hohlwelle,
durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson­ders der Längsverschiebbarkeit,
und durch die Schaffung eines sonst eigentlich nicht er­forderlichen Abstands zwischen der theoretischen Ebene, welche durch den erwähnten Schnittpunkt geht und senkrecht zur Mittelachse der Hohlwelle steht, und dem Gelenk, wobei - im Falle einer konstruktiven Auftrennung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funktionen - dasjenige Ge­lenk massgebend ist, welches dem Führungselement die Schwenkbewegung um eine Achse radial zu einer der beiden Mittelachsen erlaubt.
18. Piston machine according to one of claims 4 ... 7 or 9 ... 17,
characterized,
that the kinematics of the oscillating lifting movement relative to the rotary movement is adapted to the intended use and the working method of the machine, namely a) in the machine according to claim 4 or 9 by the shape of the armature or the stator, b) in the machine according to claim 7 or 13 by the shape of the cam track, c) in the machine according to claim 5, 10 or 11 by the choice of the angle of the central axis of the swash plate-like shaft to the cylinder axis, and by the distance between the intersection of these two axes and the joint that connects the transmission element to the cylinder, by the design this articulated connection, especially the longitudinal displaceability,
and by creating a - otherwise not actually necessary - distance between the theoretical plane, which passes through the intersection mentioned and is perpendicular to the central axis of the swashplate-like shaft, and the joint, whereby - in the case of a constructive separation of the joint into several joints with separate ones Functions - that joint is decisive that allows the guide element to pivot about an axis radially to one of the two central axes mentioned,
d) in a machine according to claim 6 or 12, analogous to the machine according to claim 5, by the choice of the angle of the axis of rotation of the hollow shaft to the cylinder axis, and by the distance between the intersection of these two central axes and the articulated connection of the piston with the hollow shaft ,
through the design of this articulated connection, especially the longitudinal displaceability,
and by creating an otherwise unnecessary distance between the theoretical plane, which passes through the intersection mentioned and perpendicular is to the central axis of the hollow shaft, and the joint, whereby - in the case of a structural separation of the joint into several joints with separate functions - that joint is decisive which allows the guide element to pivot about an axis radially to one of the two central axes.
19. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 18,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Synchronisation zwischen der Kolbendrehung und der Hubbewegung variabel ist, um beispielsweise die Steuerzeiten zu verändern,
indem bei der Maschine nach Anspruch 4...7 oder 9...13 der am Zylinder befestigte Teil der Vorrichtung, welche die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bewirkt, relativ zum Zylinder um die Zylinderachse verdreht wird, oder
indem der am Kolben befestigte Teil der Vorrichtung, wel­che die Dreh-Hubbewegung des Kolbens bewirkt, relativ zur Stirnseite des Kolbens um die Zylinderachse verdreht wird.
19. Piston machine according to one of claims 1 to 18,
characterized,
that the synchronization between the piston rotation and the stroke movement is variable, for example to change the timing,
in that, in the machine according to claim 4 ... 7 or 9 ... 13, the part of the device which is attached to the cylinder and which causes the rotary-lifting movement of the piston is rotated relative to the cylinder about the cylinder axis, or
by rotating the part of the device which is attached to the piston and which causes the rotary-lifting movement of the piston about the cylinder axis relative to the end face of the piston.
20. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4..7 oder 9..19,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Länge des Hubs und/oder das Verdichtungsverhält­nis verstellbar ist,
bei der Maschine nach Anspruch 4 oder 9 durch axiales Ver­schieben magnetischer Pole oder durch elektrisch wahlweise ein- und ausschaltbare magnetische Pole,
oder durch Verstellung der Stärke der magnetschen Kräfte, welche die Axialkraft des Kolbens bewirken, so dass, in­folge der äusseren Axialkraft auf den Kolben und infolge der Massenträgheit des Kolbens, der effektive Kolbenhub variierbar vom theoretischen Kolbenhub abweicht,
bei der Maschine nach Anspruch 5, 10 oder 11, bzw. 6 oder 12, durch Verstellung des Winkels, den die Mittelachse der taumelscheibenartigen Welle bzw. die Mittelachse der Hohl­ welle zur Zylinderachse aufweist, indem die taumelschei­benartige Welle bzw. die Hohlwelle schwenkbar gelagert ist, oder durch die Verstellung von in Anspruch 16 aufgeführten geometrischen Längen, welche die Kinematik beeinflussen, besonders durch die Verstellung des Abstands zwischen dem Gelenk und dem erwähnten Achsenschnittpunkt.
20. Piston machine according to one of claims 4..7 or 9..19,
characterized,
that the length of the stroke and / or the compression ratio is adjustable,
in the machine according to claim 4 or 9 by axial displacement of magnetic poles or by magnetic poles which can optionally be switched on and off,
or by adjusting the strength of the magnetic forces which cause the axial force of the piston so that, due to the external axial force on the piston and due to the inertia of the piston, the effective piston stroke deviates variably from the theoretical piston stroke,
in the machine according to claim 5, 10 or 11, or 6 or 12, by adjusting the angle, the central axis of the swash plate-like shaft or the central axis of the hollow shaft to the cylinder axis by the swash plate-like shaft or the hollow shaft is pivotally mounted, or by the adjustment of geometric lengths listed in claim 16, which influence the kinematics, especially by adjusting the distance between the joint and the mentioned axis intersection.
21. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehbewegung des Kolbens oder der Kolben auf eine oder beide Aussen-Stirnseiten der Maschine übertragen wird mit­tels einer durch die Zylinder-Mittelachse führenden Welle, die solcherart gestaltet ist, dass zwischen Kolben und Welle ein Drehmoment übertragen wird und die oscillierende Hubbewegung durch eine axiale Verschiebbarkeit gewährlei­stet wird.
21. Piston machine according to one of claims 1 to 20,
characterized in that
the rotary movement of the piston or the pistons is transmitted to one or both outer end faces of the machine by means of a shaft which leads through the cylinder central axis and is designed in such a way that a torque is transmitted between the piston and the shaft and the oscillating stroke movement by means of an axial displacement is guaranteed.
22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die, durch die Zy­linderachse führende, zentrale Welle
entweder mittels Keilwelle oder Formwelle erfolgt,
oder mittels Wälzkörper, welche Tangentialkräfte übertra­gen und bei der Axialverschiebung sich rollend bewegen, oder mittels längsverschiebbaren homokinetischen Gelenken.
22. Piston machine according to claim 21,
characterized in that
the torque transmission from the piston to the central shaft leading through the cylinder axis
either by spline or form wave,
or by means of rolling elements which transmit tangential forces and move in a rolling manner during the axial displacement, or by means of longitudinally displaceable homokinetic joints.
23. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche l bis 22,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die durch die Zy­linderachse führende zentrale Welle, oder die direkte Drehmomentübertragung zwischen zwei benachbarten Kolben, mittels einer oder mehrerer Membranen oder Faltenbälgen / Rollbälgen oder anderer federartiger Elemente erfolgt, welche die axiale Längsverschiebung durch elastische Verformung zulassen.
23. Piston machine according to one of claims 1 to 22,
characterized in that
the torque transmission from the piston to the central shaft leading through the cylinder axis, or the direct torque transmission between two adjacent pistons, takes place by means of one or more diaphragms or bellows / roller bellows or other spring-like elements which allow the axial longitudinal displacement due to elastic deformation.
24. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 23,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehbewegung des Kolbens um die Zylinderachse durch Tangentialkraft auf den Kolben, oder auf ein anderes um diese Achse drehendes Teil, nach aussen übertragen, bzw. von aussen her erzeugt wird, oder
dass eines der drehenden Teile Bestandteil eines Elektro­motors oder Elektrogenerators bildet.
24. Piston machine according to one of claims 1 to 23,
characterized,
that the rotational movement of the piston about the cylinder axis is transmitted to the outside by means of tangential force on the piston, or on another part rotating about this axis, or is generated from the outside, or
that one of the rotating parts forms part of an electric motor or electric generator.
25. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehmomentübertagung zwischen den Kolben mittels Formschluss erfolgt, indem die beiden benachbarten Kolben­stirnseiten auch im unteren Hubtotpunkt ineinandergreifen und so Tangentialkräfte mittels Gleitflächen oder indirekt mittels Wälzkörpern übertragen.
25. Piston machine according to one of claims 1 to 24,
characterized in that
The torque transmission between the pistons takes place by means of a positive fit by the two adjacent piston end faces also meshing at the bottom dead center of the stroke and thus transmitting tangential forces by means of sliding surfaces or indirectly by means of rolling elements.
26. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwecks Reibungsverminderung der drehende Kolben und der Dreh-Hubkolben auf einem Schmierfilm aufliegt, welcher sich in jenem Bereich der Zylinderwand befindet, wo keine zu steuernden Oeffnungen sind, wobei das Schmiermittel = falls es nicht in den Arbeitsraum gelangen darf = durch einen Abstreifring o.ä. vom Arbeitsraum ferngehalten wird.
26. Piston machine according to one of claims 1 to 25,
characterized,
that, in order to reduce friction, the rotating piston and the rotating reciprocating piston rests on a lubricating film which is located in that area of the cylinder wall where there are no openings to be controlled, the lubricant = if it must not get into the working area = by means of a scraper ring o. Ä. is kept away from the work area.
27. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 3..6, 9..12, 18, oder 20..24, dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Kolben nicht relativ zum Zylinder dreht, indem der Kolben oder der Zylinder drehbeweglich mit der Vorrichtung verbunden ist, welche die Dreh-Hubbewegung erzeugt.
27. Piston machine according to one of claims 3..6, 9..12, 18, or 20..24, characterized in that
that the piston does not rotate relative to the cylinder in that the piston or cylinder is rotatably connected to the device that generates the rotary stroke movement.
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