WO1987005964A1 - Rotating and alternating piston machine - Google Patents
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Definitions
- valves become 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 lifting movement can also be converted electrically instead of mechanically and directly generate electrical energy (or vice versa).
- additional inner work spaces another four work spaces are added to the same machine.
- 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, for electrical generation of the piston movement 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 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 dealt with in context.
- the task was therefore a piston machine with direct control of openings in the cylinder wall by the piston. (Often called "slot control").
- the solution should be suitable for all known working methods and applications, that is also for machines which compress the working medium in the cylinder. This requirement requires that the working space at the top dead center of the stroke can be reduced to an arbitrarily small final volume.
- the rotary reciprocating 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.
- Figure 5 shows illustrative examples.
- the working space is delimited by two end faces: on the one side by the piston, which makes a rotating or rotating stroke movement, on the other side by a non-rotating end face.
- This can be a non-rotating piston or the cylinder head.
- these surfaces must also fit into one another as described above. So that these two end faces do not collide with each other at the top dead center, the following measures are taken:
- 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 auxiliary drive (electric motor etc.) etc. etc.
- Figure 2 shows a schematic example of this .
- the rotary movement can be matched to the stroke movement as desired. (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 rotational movement is back with periodically and her grillnder 'Dreh ⁇ directional sense which very large openings allowed. Lubrication: See point 26.
- 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 which do not require a small final volume.
- 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 also by the rotary movement of the rotary piston.
- Possibilities of pre-compression (charging) in the rotary piston machine a) by means of a turbo or compressor b) with a mechanical pre-compressor integrated in the rotary piston machine.
- the pre-compressor is fully integrated in the rotary piston machine.
- the rotary reciprocating machine does not get bigger as a result.
- the gas cushion in the pre-compressor improves the smooth running of the machine under certain conditions.
- Claim 8 is the integration of the inner piston machine (integrated precompressor) into a rotary reciprocating piston machine with control of the gas exchange according to claim 1 or 2.
- 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:
- the precompressor additionally compresses a small part of the air to the higher injection pressure. (Combination of 1) 3) and 16)).
- the shape of the piston face of the pre-compressor piston can be selected. Very high compressions can be achieved.
- the integrated pre-compressor mainly consists of the rotating pre-compressor piston (item 31).
- Inlet a) Inflow through the lateral surface according to the same principle as for the outlet. b) Inflow through the hollow shaft and the pre-compression piston. Advantage: cooling the shaft.
- a shaft is first set in rotation with an electric motor.
- This wave rotation drives e.g. a pump.
- the shaft rotation must be mechanical, e.g. can be converted into a lifting movement by means of a crank mechanism. This moves the piston.
- 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". Examples of use:
- a pump with slot control of the inlets and outlets with the rotary reciprocating piston (for example according to claim 2) can be built with only one moving part: the rotary reciprocating piston! I.
- the rotary reciprocating 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 anchor is specially shaped, see examples 20 and
- the armature is provided with fixed magnetic poles. - 10 -
- the armature either contains windings, is provided with permanent magnets or is permanently magnetized.
- the anchor can be agnetized, it is not permanent magnetic. That means it consists of a material with low magnetic remanence. Function: a) Anchor with fixed magnetic poles:
- 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.
- the stator guides the adjacent 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 acts not only 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.
- the distance between armature and stator becomes Eg electronically controlled and kept constant by varying the magnetic forces.
- this device also serves as a magnetic, practically frictionless magnet.
- machines can also be realized which no longer have actual, stationary guide poles on the stator, but only moving, driving fields which 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).
- the stroke length of the piston 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 piston machine in the most common designs with the different types of current can be found in claim 9.
- the stator on the outside has the described functions and features of the armature.
- 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 drives with its magnet. graze the stator, so that the stator makes a rotary-stroke movement relative to the armature, etc. In most cases, this is the less favorable design: Most of the time the external stator is 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.
- the swashplate-like shaft ( Figure 1, item 35 or Figure 6, item 37) is or is firmly connected to the piston 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 swashplate-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.
- the examples in pictures 1 and 6 show three examples of many possibilities.
- 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 articulation 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 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. - 16 -
- a spatial cam track is responsible for the piston movement (Fig. 9..11, item 3), e.g. in the form of a cam 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.
- 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 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 exchange1.
- the first outlet goes to a high pressure stage of the turbocharger, the second to a medium pressure stage, etc.
- the first outlet is designed in such a way that the exhaust gas flows out at the speed of sound at full load and 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 - 20 -
- the designer can determine the performance characteristics of the turbocharged engine. There is no need to control or regulate the turbo (blow off, etc.).
- the same principle namely the "sorting" of the working medium according to its content of internal energy, can also be applied to
- a 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) Example gasoline engine: To be able to reduce the cylinder charge and thereby the power (partial load), one uses today
- Throttle valves in the intake duct The negative pressure created by the throttling during suction results in efficiency losses.
- the sucked-in medium is let out again through slots which 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) 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)
- Enhancing 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 combustion and the willingness to ignite, especially in the case of lean mixtures, are significantly increased if the working medium is vigorously swirled. See picture 14.
- 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, the piston motion would be different, i.e. another lifting kinematics, desirable.
- the stroke kinematics of the rotary reciprocating machine according to claims 4, 9, 7 and 13 can be chosen completely freely and matched to the intended use. In the other claims relating to the generation of the piston movement, the lifting kinematics can also be selected within a certain range. Claim 18 mentions the geometrical variables with which the lifting kinematics of these systems are influenced. Application examples are also listed.
- the change in the synchronization between piston rotation and the lifting movement can have the following purposes, for example:
- Stroke adjustment Devices for adjusting the stroke length are normally used to change the delivery volume of a pump or the swallowing volume of a (hydraulic) motor, for example in the case of hydrostatic transmissions. - 23 -
- the shaft is easily sealed e.g. with rod seals (analogous to the piston rings on the reciprocating piston engine, but with an inner seal!).
- this torque transmission can be designed in such a way that the stroke movement also runs with little friction.
- Such a construction would, for example, be designed similarly to the constant velocity universal joints that are known from car front wheel drive. This construction also compensates for misalignments. - 24 -
- Diaphragms or bellows can also transmit the torque with their torsional stiffness (and strength). They take up the stroke movement with their high elasticity in the axial direction.
- 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, e.g. by fixing the armature of a conventional electric motor or generator directly to the rotating part.
- the rotary movement can in any case be transmitted directly to the outside via the outer surface of the rotary piston and converted into electrical energy (or vice versa).
- the piston shape and stroke length must be coordinated so that the pistons remain in engagement with each other at every stroke position.
- the force can be transmitted indirectly via rolling elements instead of directly via sliding surfaces - 25 -
- 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 normally occurs in the conventional reciprocating piston engine.
- This increases the ability to absorb any lateral forces that may be present.
- the conventional crank mechanism generates a lateral 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 design whether lateral forces occur at all:
- a scraper ring is installed in the cylinder.
- Figure 1 Schematic drawing of the legend of a 2-stroke rotary piston 1-cylinder engine with four working spaces, la, b, c cylinder parts. Charge change according to claim 1, 2 rotary pistons (makes generation of the piston movement after rotary stroke movement) 5. (See also Fig. 13) 3 cam track
- Figure 2 Illustration of the control 5 pistons, only rotating the gas exchange with the pistons. 6 piston rings The piston movement is generated with a 7 working space conventional cross-head crank 7 ditto, maximum volume drive. In addition, 7b ditto, final volume or a rotary movement is superimposed. Final compression volume
- Fig. 3 Scheme of the charge change 9 outlet channel for a pump. At the same time, a stroke cycle takes place. 11 Outlet flow Every half stroke length is drawn. 12 spark plugs
- Fig. 4 Scheme of the 4 cycles of a 14 continuous, central combustion engine (2 lifting cycles). wave
- Fig. 5 Piston shape - examples: 16 rocker a, b: asymmetrical piston, 17 rocker bearing c, d, e: "shear-free" piston 18 membrane (for torque (here point-symmetrical) transmission)
- Fig. 6 Mechanical conversion 19 bellows (for torque ⁇ the stroke in a rotary motion after transmission) claim 5. Compare also Figure 1. 20 anchors a and b show as examples two 21 stator different types ofJnaus ⁇ 22 drive to generate the same. the piston rotation
- Figure 9 Mechanical conversion 27 connecting rod of the stroke into a rotary motion 28 crankshaft according to claim 7.
- Fig. 11 like Fig. 9, but with compressed medium curve path as a circumferential groove. from the rotary piston.
- Fig. 13 Schematic example of a swashplate-type 35 swash-plate rotary piston shaft, disk-shaped engine with four working spaces, sunk in the piston. shown swashplate-like different by half a shaft rotation 36. Shaft, movement conversion in piston reduced according to An ⁇ . saying 7. See also Figure 1. 37 geometric center axis of the tau elschei-
- Figure 14 Example of a combustion chamber-like shaft design for a diesel transmission element with generation of a 39 articulation point between turbulence in the toroidal vortex chamber (43). ment and the cylinder above: cuts through both 40 hollow shaft pistons at the top dead center of the stroke. 41 geometric middle - bottom: view of the front axis of the hollow shaft side of the lower piston. (intersects the cylinder axis)
- Fig. 15 Torque transmission 42 Joint point between the central shaft and the piston, the piston and the one with diaphragm (a), with bellows (b). Hollow shaft - 28 -
- Figure 16 Integrated precompression 43 toroidal vortex according to claim 3, 8, 14 and 16 space with an inner, rotating piston in the 44 magnetic pole, which guides the rotary piston, schematic anchor example. 45 magnetic pole, which drives the armature
- Figure 18 Generation of the rotary stroke movement according to claim 4 and 9.
- the auxiliary winding (46) is only used to start the machine.
- Image 19 as 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.
- 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.
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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
DREH - HUBKOLBEN - MASCHINE TURNING LIFTING PISTON MACHINE
Kernpunkte der Dreh-Hubkolben-Maschine sind die einfache Um¬ wandlung der Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht. Zudem die Ausnützung dieser Kolbenbewegung für die direkte Steuerung des Ladungs¬ wechsels durch den Kolben: Ventile werden überflüssig, nicht nur bei 2-Takt- sondern auch bei 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichtern.The key points of the rotary reciprocating piston machine are the simple conversion of the reciprocating movement of the piston into a rotary movement, which results in a rotary / reciprocating movement. In addition, the use of this piston movement for the direct control of the gas exchange by the piston: valves become superfluous, not only with 2-stroke but also with 4-stroke engines and pumps and compressors.
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 (ent¬ sprechend einer konventionellen Vierzylinder-Maschine) , und einen hundertprozentigen Massenausgleich. (Beispiel Bild 1) . Mit zusätzlichen inneren Arbeitsräumen kommen bei der selben Maschine nochmals vier Arbeitsräume dazu.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 (corresponding 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.
Für die Umwandlung der Kolbenbewegung sind mehrere verschie¬ dene 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 Verbrennungs¬ motoren, usw., wird im folgenden noch eingegangen.Several different solutions are listed for converting the piston movement (see Fig. 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 charge in internal combustion engines, etc., will be discussed below.
Zur Namensgebung: Die "Dreh-Hubkolben-Maschine" ist eine Hubkol¬ benmaschine oder eine Freikolbenmaschine, mit zusätzlicher Dreh¬ bewegung des Kolbens. Bei mechanischer Begrenzung des Hubs ist sie eine Hubkolbenmaschine, sonst (z.B. bei elektrischer Erzeu¬ gung der Kolbenbewegung nach Anspruch 4) ist sie definitionsge- mäss eine Freikolbenmaschine. Da jedoch das typische Hauptmerk¬ mal der Maschine die Dreh-Hubbewegung des Kolbens ist, wird der Name "Dreh-Hubkolben-Maschine" gewählt.
Der Ablauf der Beschreibung ist nach der Reihenfolge der Patent¬ ansprüche geordnet. Die Nummern am Anfang der folgenden Ab¬ schnitte beziehen sich auf die entsprechenden Patentansprüche. Abhängige Ansprüche, die sich spezifisch nur auf einen Anspruch beziehen, werden im Zusammenhang behandelt.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, for electrical generation of the piston movement 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 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 dealt with 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 umständ¬ lich geöffnet und geschlossen werden.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.
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 ver¬ dichten. Diese Forderung verlangt, dass der Arbeitsraum beim ob¬ eren Hubtotpunkt auf ein beliebig kleines Endvolumen verkleinert werden kann.The task was therefore a piston machine with direct control of openings in the cylinder wall by the piston. (Often called "slot control"). The solution should be suitable for all known working methods and applications, that is also for machines which compress the working medium in the cylinder. This requirement requires that the working space at the top dead center of the stroke can be reduced to an arbitrarily small final volume.
Die Dreh-Hubkolben-Maschine nach Anspruch 1 erfüllt diese Aufga¬ be. Dabei spielt die Kolbendrehung eine wichtige Rolle: Die dem Arbeitsraum zugewandte Kolbenoberfläche wird so gestal¬ tet, wie in Anspruch 1 geometrisch definiert. Anschauliche Beispiele zeigt Bild 5.The rotary reciprocating 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. Figure 5 shows illustrative examples.
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 steuertl). Siehe Bild 3 und 4.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.
Damit wird also nicht nur der Ladungswechsel beim schlitzge¬ steuerten 2-Takt-Motor bedeutend effizienter (asymmetrische Steuerzeiten möglich) , es lassen sich jetzt auf diese Weise auch 4-Takt-Motoren und Pumpen und Verdichter bauen.
- 3 -Thus, 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. - 3 -
Erzielung des kleinen Endvolumens (oft auch "Endkompressions- volumen" genannt) :Achieving the small final volume (often also called "final compression volume"):
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 Kol¬ bens. Dieser nur mitdrehende zweite Kolben kann ebenfalls Oeff¬ nungen für den Ladungswechsel steuern. (Bild 1, 13 und 5) Zweite Variante:The working space is limited on one side by the rotary piston and on the other side also by a piston that rotates synchronously but does not need to perform a lifting movement. In the upper dead center of the surface shape fits a * piston in the formed as a negative mold surface of the other Kol¬ bens. This second piston, which only rotates, can also control openings for the gas exchange. (Picture 1, 13 and 5) Second variant:
Der Arbeitsraum wird von zwei Stirnflächen begrenzt: Auf der ei¬ nen Seite durch den Kolben, der eine Dreh- oder Dreh-Hubbewegung macht, auf der andern Seite durch eine nicht mitdrehende Stirn¬ fläche. Diese kann ein nicht drehender Kolben oder auch der Zy¬ linderkopf sein. Um ein kleines Endvolumen zu erreichen, müssen diese Flächen ebenfalls so ineinanderpassen, wie oben beschrie¬ ben. -Damit nun im oberen Hubtotpunkt diese beiden Stirnflächen nicht miteinander zusa enstossen, werden folgende Massnahmen getroffen:The working space is delimited by two end faces: on the one side by the piston, which makes a rotating or rotating stroke movement, on the other side by a non-rotating end face. This can be a non-rotating piston or the cylinder head. In order to achieve a small final volume, these surfaces must also fit into one another as described above. So that these two end faces do not collide with each other at the top dead center, the following measures are taken:
In dieser Stellung darf keine oder nur eine so geringe Drehbewe¬ gung stattfinden, wie es der Abstand zwischen den beiden Stirn¬ flächen und die Form der Stirnflächen erlaubt. Dies erreicht man durch nicht kontinuierliche Kolbendrehung, durch mehrere Hubzyk¬ len pro Umdrehung und/oder durch entsprechende Formgebung der Stirnseiten.In this position, no or only a slight rotational movement may take place as the distance between the two end faces and the shape of the end faces allow. This is achieved by discontinuous piston rotation, by several stroke cycles per revolution and / or by appropriate shaping of the end faces.
Radialkräfte infolge des Druckes im Arbeitsraum werden nachfol¬ gend zusammen mit Anspruch 2 beschrieben.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-Hubbewe¬ gung wird in diesem Anspruch nichts erwähnt. Einfache, kompakte Lösungen dafür sind Inhalt weiterer unabhängiger Patentansprü¬ che.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.
Theoretisch gibt es zur Erzeugung der Dreh-Hubbewegung fast un¬ endliche Möglichkeiten. Viele sind bekannt oder lassen sich aus dem Stand der Technik folgender assen einfach herleiten: Man er--
- 4 -Theoretically, there are almost infinite possibilities for generating the rotary stroke movement. Many are known or can easily be derived from the prior art of the following: - 4 -
zeugt auf bekannte Weise eine oscillierende Hubbewegung und fügt dem Kolben mit einer andern bekannten Vorrichtung eine beliebige Drehbewegung hinzu. Beispiel:produces an oscillating stroke movement in a known manner and adds any rotational movement to the piston with another known device. Example:
Grosse Schiffs-Dieselmotoren werden heute meist in der Bauart als Kreuzkopf-Hubkolbenmotoren gebaut. Eine zusätzliche Kolben¬ rotation 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 einge¬ bauten Zusatzantrieb (Elektromotor etc.) bewirken usw. usf. Bild 2 zeigt ein schematisches Beispiel dafür. Die Drehbewegung kann dabei beliebig auf die Hubbewegung abge¬ stimmt werden. (Siehe auch Ansprüche 9,10,18,19). Vorzugsweise erfolgt die Drehbewegung des Kolbens als kontinu¬ ierliche Rotation, wegen der Massenträgheit. Jedoch ist auch eine Drehbewegung mit periodisch hin- und herwechselnder'Dreh¬ richtung sinnvoll, welche sehr grosse Oeffnungen erlaubt. Schmierung: Siehe Punkt 26.Large marine 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 auxiliary drive (electric motor etc.) etc. etc. Figure 2 shows a schematic example of this . The rotary movement can be matched to the stroke movement as desired. (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 rotational movement is back with periodically and herwechselnder 'Dreh¬ directional sense which very large openings allowed. Lubrication: See point 26.
Abdichtung: Durch Kolbenringe, welche der Form der Steuerkante angepasst sind, für eher untergeordnete Zwecke mit konventio¬ nellen Kolbenringen oder mit Labyrinthdichtung (Rillen) . Ideal: Kolbenringlos durch einen Kolben aus Keramik oder einem anderen Werkstoff, welcher nur eine kleine Wärmeausdehnung auf¬ weist. Der Kolben läuft dann mit minimaler Passung im Zylinder und benötigt keine weiteren Dichtelemente mehr.Sealing: With 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 has only 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 An¬ wendungen geeignet sein, die nicht ein kleines Endvolumen erfor¬ dern.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 which do not require a small final volume.
Lösung: Eine Dreh-Hubkolben-Maschine, bei welcher der Kolben eine Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen steuert, wobei die Kolbengeometrie zwei typische Merkmale aufweist:
- 5 -Solution: A rotary piston machine in which the piston rotates and controls the openings, whereby the piston geometry has two typical features: - 5 -
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.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 also by the rotary movement of the rotary piston.
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 übri¬ gens nicht zwangsläufig eine Symmetrie der Kolbenstirnfläche.Secondly, low friction is achieved if the piston is also shaped in such a way 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. The second feature does not necessarily require symmetry of the piston face.
3.und 8. Integrierte Kolbenmaschine im Innern des Dreh-Hub¬ kolbens, integrierter Vorverdichter3rd and 8th integrated piston machine inside the rotary-stroke piston, integrated pre-compressor
Möglichkeiten der Vorverdichtung (Aufladung) bei der Dreh-Hub¬ kolben-Maschine: a) mittels Turbo oder Kompressor b) mit einem in die Dreh-Hubkolben-Maschine integrierten, mechanischen Vorverdichter.Possibilities of pre-compression (charging) in the rotary piston machine: a) by means of a turbo or compressor b) with a mechanical pre-compressor integrated in the rotary piston machine.
Funktion des integrierten Vorverdichters: siehe als Beispiel Prinzipskizze Bild 16 und die ausführlicheFunction of the integrated pre-compressor: see example diagram in Figure 16 and the detailed diagram
Beschreibung auf der übernächsten Seite.Description on the next 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.- Space requirements are zero: the pre-compressor is fully integrated in the rotary piston machine. The rotary reciprocating machine does not get bigger as a result.
- Kaum Mehrgewicht: Fast alle Teile sind schon vorhanden. Der auf der Welle befestigte Vorverdichterkolben ist eigentlich das einzige zusätzliche Bauteil.
- 6 -- Hardly any additional weight: Almost all parts are already available. The pre-compressor piston attached to the shaft is actually the only additional component. - 6 -
- Einfach und billig.- Simple and cheap.
- Das Gaspolster im Vorverdichter verbessert unter gewissen Voraussetzungen die Laufruhe der Maschine.- The gas cushion in the pre-compressor improves the smooth running of the machine under certain conditions.
- Die Auslasssteuerung durch den Dreh-Hubkolben ermöglicht es, verschiedene Systeme mit unterschiedlichen Druckniveaus zu speisen. (Siehe hierzu auch Anspruch 16) .- The outlet control by the rotary piston enables different systems to be fed with different pressure levels. (See also claim 16).
AnwendungenApplications
- Zweistufige Kompressoren/ Verdichter.- Two-stage compressors.
- Pumpen oder Verdichten verschiedener Medien mit einer einzi¬ gen, kompakten Maschine, usw.- Pumping or compressing 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.1) Use as a mechanical loader.
Gleiche Funktion wie ein externer mechanischer Kompressor.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:3) Turbulence, stratified charge, lean engine:
(N.B: Anspruch 8 ist die Integreation der inneren Kobenma¬ schine (integrierter Vorverdichter) in eine Dreh-Hubkolben- Maschine mit Steuerung des Ladungswechsels gemäss Anspruch 1 oder 2.)(N.B: Claim 8 is the integration of the inner piston machine (integrated precompressor) into a rotary reciprocating piston machine with control of the gas exchange according to claim 1 or 2.)
Es wird nur ein Teil der Ansaugluft dem Vorverdichter einge- spiesen. Nach Verlassen des Vorverdichters gelangt diese re¬ lativ stark komprimierte "Zusatzluft" auf folgende Weise in den Dreh-Hubkolben-Motor: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:
Nach Beendigung des normalen Ansaugvorgangs wird sie durch einen vom Ansaugschlitz getrennten Schlitz eingeblasen. Wirkung: - Starke TurbulenzAfter the normal suction process is completed, it is blown through a slot that is separate from the suction slot. Effect: - Strong turbulence
- Verbesserung der Füllung. Den Zeitpunkt des Einblasens kann man optimieren. Brennstoff-Einspritzung in die Einblasluft ist sinnvoll. Stellen Sie sich nun folgendes vor:
- 7 -- Improve the filling. The time of blowing in can be optimized. Fuel injection into the blowing air makes sense. Now imagine the following: - 7 -
Der Zylinder ist mit reiner Luft gefüllt. Kurz vor dem Zünden wird eine "Wolke" aus reichem, gut zündfähigem Ben¬ zin-Luft-Gemisch gegen die Zündkerze hingeblasen. Der geneigte Leser weiss, was dies bedeutet: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:
- Schichtladung in höchstem Masse und damit- Stratified charge in the highest degree and thus
- gutes Verbrennen eines insgesamt extrem mageren Ge ischs,good burning of an overall extremely lean person,
- entsprechend extrem niedrige Verbrauchs- und Abgaswerte.- correspondingly extremely low consumption and exhaust gas values.
4) Mit Vorverdichter aufgeladener Magermotor:4) Lean engine charged with pre-compressor:
Für eine eigentliche Aufladung empfiehlt es sich, die gesamte Ansaugluft vorzuverdichten. Der Vorverdichter kom¬ primiert zusätzlich einen kleinen Teil der Luft auf den höheren Einblasdruck. (Kombination von 1) 3) und 16)) .For actual charging, it is recommended to pre-compress all of the intake air. The precompressor additionally 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: Aus¬ nützung 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: utilization of the exhaust gas energy. The integrated pre-compressor then compresses part of the charge air to the higher injection pressure.
6) Weitere Anwendungen:6) Other applications:
- Speisung von Servoaggregaten mit Druckluft.- Feeding servo units with compressed air.
- Verwendung als integrierte Pumpe anstatt als Verdichter- Use as an integrated pump instead of a compressor
(z.B. als Oelpumpe, Hydraulikpumpe, etc.) .(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.- Check valves in the pre-compressor 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.
- Die Form der Kolbenstirnseite des Vorverdichterkolbens ist wählbar. Es können sehr hohe Kompressionen erreicht werden.- The shape of the piston face of the pre-compressor piston can be selected. Very high compressions can be achieved.
- Die gesamte Konzeption eignet sich vorzüglich zur Verwendung exotischer Materialien wie Keramik, Hartstoffe usw.
- 8 -- The entire concept is ideally suited for the use of exotic materials such as ceramics, hard materials, etc. - 8th -
Dreh-Hubkolben-Maschine mit integriertem VorverdichterRotary piston machine with integrated pre-compressor
(Beschreibung zur Prinzipskizze Bild 16) Der Dreh-Hubkolben (Pos 2) rotiert zusammen mit der durchgehen¬ den Welle (14) und den rotierenden Kolben (Pos 5) . Die nur ro¬ tierenden 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) .(Description of the schematic diagram Fig. 16) The rotary reciprocating 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; but it can still transmit a torque to the shaft (not visible in the picture, treated in claims 21, 22, 23).
Der integrierte Vorverdichter besteht hauptsächlich aus dem rotierenden Vorverdichterkolben (Pos 31) .The integrated pre-compressor mainly consists of the rotating pre-compressor piston (item 31).
Dieser befindet sich im Innen-Hohlrau des Dreh-Hubkolbens (2) . Er ist mit der Welle (14) fest verbunden, macht also keine Hub¬ bewegung. Die oscillierende Hubbewegung des Dreh-Hubkolbens (2) bewirkt daher links und rechts des Vorverdichterkolbens eine Verdichtung des sich dort befindlichen Arbeitsmediums.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: durch Schlitze in den Mantelflächen des Dreh-Hub¬ kolbens und des Zylinders. - Die Bewegung des Dreh-Hubkolbens relativ zum Zylinder steuert auto¬ matisch die Schlitze. (Prinzip ist von Schieber¬ steuerungen her bekannt) .Outlet: 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. (The principle is known from slide controls).
Einlass: a) Einströmen durch die Mantelfläche nach dem selben Prinzip wie beim Auslass. b) Einströmen durch die Hohlwelle und den Vorverdich¬ terkolben. Vorteil: Kühlung der Welle.Inlet: a) Inflow through the lateral surface according to the same principle as for the outlet. b) Inflow through the hollow shaft and the pre-compression piston. Advantage: cooling the shaft.
Die Steuerung des Einlasses übernehmen Rückschlag¬ ventile. (Schmatische Skizze im Bild 16 Pos. 32) c) Kombination von a) und b) . Selbstverständlich wäre es auch möglich, den Auslass an Stelle des Einlasses durch die Hohlwelle zu führen.
- 9 -Check valves take over the control of the inlet. (Schematic sketch in Fig. 16 Item 32) c) Combination of a) and b). Of course, it would also be possible to pass the outlet through the hollow shaft instead of the inlet. - 9 -
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.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 herkömmlichen Maschinen wird beispielsweise zuerst mit einem Elektromotor eine Welle in Rotation versetzt. Diese Wellenrota¬ tion treibt z.B. eine Pumpe. In der Pumpe muss die Wellenrota¬ tion 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". Anwendungsbeispiele:In conventional machines, for example, a shaft is first set in rotation with an electric motor. This wave rotation drives e.g. a pump. In the pump, the shaft rotation must be mechanical, e.g. can be converted into a lifting movement by means of a crank mechanism. 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". Examples of use:
- Als Motor: Der elektrische Strom erzeugt direkt eine Dreh-Hub¬ bewegung. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Pumpe mit Schlitzsteuerung der Ein- und Auslässe mit dem Dreh-Hubkolben (bespielsweise gemäss An¬ spruch 2) mit nur einem einzigen beweglichen Teil gebaut werden: dem Dreh-Hubkolben! I- As a motor: 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 reciprocating piston (for example according to claim 2) can be built with only one moving part: the rotary reciprocating piston! I.
- 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 Dreh¬ bewegung überlagert. Somit ist auch eine Steuerung des Ladungswechsels nach Anspruch 1 od. 2 möglich.- Generator: The rotary reciprocating 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 undThe anchor is specially shaped, see examples 20 and
22. Dies ist die wichtige, charakteristische Eigenheit.22. This is the important, characteristic peculiarity.
Wir unterscheiden zwei Anker-Bauarten: a) Der Anker ist mit ortsfesten Magnetpolen versehen.
- 10 -We differentiate between two armature types: a) The armature is provided with fixed magnetic poles. - 10 -
Das heisst, der Anker enthält entweder Wicklungen, oder ist mit Dauermagneten versehen bzw. ist dauermagnetisiert. b) Der Anker ist zwar agnetisierbar, aber nicht dauermagne¬ tisch. Das heisst, er besteht aus einem Werkstoff mit geringer magnetischer Remanenz. Funktion: a) Anker mit ortsfesten Magnetpolen:This means that the armature either contains windings, is provided with permanent magnets or is permanently magnetized. b) Although the anchor can be agnetized, it is not permanent magnetic. That means it consists of a material with low magnetic remanence. Function: 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.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.
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 Man¬ telfläche 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 Axial¬ kräften auf die Mantelfläche des Ankers ein, wo er den Anker führt. Er unterstützt auch die relative Axialbewegung der An¬ ker-Mantelfläche zum Stator an anderen Stellen durch treibende Kräfte. Diese treibenden Kräfte oscillieren entsprechend der Be¬ wegung der Anker-Mantelfläche. Sie bewirken dadurch nicht nur grössere mögliche Axialkräfte, sie können dadurch auch die Dreh¬ bewegung unterstützen. b) Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermagnetischem Werkstoff, ohne Spulen auf dem Anker:Due to the shape of the armature, the rotary movement also results in the stroke movement of the piston: the stator guides the adjacent 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 acts not only 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 outer surface of the armature. As a result, they not only cause greater possible axial forces, they can also support the rotary movement. b) Anchors made of magnetizable but not permanently magnetic material, without coils on the anchor:
Vorteile: Sehr günstig herstellbar.Advantages: 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
- 11 -No power supply 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 - 11 -
magnetischen Pole auf dem Anker mit.with magnetic poles on the anchor.
Durch die besondere Form des Ankers nach Anspruch 4, werden sol¬ che Elektro otern realisierbar. Siehe Bild 18 bis 21. An min¬ destens 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 Drehbe¬ wegung ist jedoch auch eine tangentiale Kraftkomponente erfor¬ derlich. Durch die Form des Ankers entsteht diese tangentiale Kraftkomponente automatisch, ausser wenn der Anker in einem Be¬ wegungstotpunkt liegt. Deshalb hat die Maschine in Bild 18 bei¬ spielsweise 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 Bewe¬ gung 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 ge¬ zeichnet) .Due to the special shape of the armature according to claim 4, such electric oters can be realized. See Figures 18 to 21. 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, i.e. an even number of magnetic poles. The driving forces now do not act in a purely tangential direction, as with a conventional electric motor. (N.B: 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. This tangential force component is created automatically by the shape of the armature, unless the armature lies 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 outer surface of the armature relative to the stator has "nodes" at these points. This machine also needs a starting device (not shown) for starting from the position shown.
Solche Maschinen mit mehreren (ideal min. 3) Magnetpolen am Sta¬ tor, 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 Vorrich¬ tung zugleich als magnetisches, praktisch reibunbsfreies Magnet-
- 12 -Such machines with several (ideally at least 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 Eg electronically controlled and kept constant by varying the magnetic forces. As a result, this device also serves as a magnetic, practically frictionless magnet. - 12 -
lager. Mit zwei solchen Vorrichtungen ist die Welle bzw. der Kolben sauber gelagert.camp. With two such devices, the shaft or the piston is stored cleanly.
In Bild 21 haben wir wiederum zwei Führungspole, aber drei Stel¬ len 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 anzie¬ hen. Dadurch kann der Anker hohe Axialkräfte ausüben bzw. aus¬ halten. Wirken auch die treibenden magnetischen Statorkräfte im¬ mer anziehend auf den Anker, so übernehmen eigentlich auch die treibenden Pole axiale Führungsaufgaben. Nach diesem Prinzip sind auch Maschinen realisierbar, die keine eigentlichen, orts¬ festen Führungspole mehr am Stator haben, sondern nur noch wan¬ dernde, treibende Felder, welche den Anker in der richtigen Po¬ sition 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 För¬ dermenge verstellt werden. (Siehe dazu auch Anspruch 20) . Der Betrieb der elektrischen Dreh-Hubkolben-Maschine in den ge¬ bräuchlichsten Bauformen mit den verschiedenen Stromarten ist in Anspruch 9 nachzulesen.In Figure 21 we again have two guide poles, but three positions on the stator, which have a driving effect on the armature. In such machines, it must be ensured 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 each other. As a result, the armature can exert or withstand high axial forces. If the driving magnetic stator forces always have an attractive effect on the armature, the driving poles actually also assume axial guiding tasks. According to this principle, machines can also be realized which no longer have actual, stationary guide poles on the stator, but only moving, driving fields which 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 piston machine in the most common designs with the different types of current can be found in claim 9.
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 Man¬ telfläche 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-.
feidern 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.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 drives with its magnet. graze the stator, so that the stator makes a rotary-stroke movement relative to the armature, etc. In most cases, this is the less favorable design: Most of the time the external stator is 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) :5., 10., 11. Exact geometric definition see claim 5. Descriptive definition based on an embodiment (see picture 1 and 6):
Die Hubbewegung wird bei dieser Dreh-Hubkolben-Maschine folgen¬ dermassen 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 Bestand¬ teil 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 Uebertra- gungsele ent (38) überträgt die Kräfte vom Kolben auf den Zylin¬ der. Durch taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement entsteht aus der Hubkraft ein Drehmoment bzw. umgekehrt. Damit der Kolben, die taumelscheibenartige Welle und das Führungsele¬ ment in ihren Bewegungen nicht behindert werden, ist die Verbin¬ dung zwischen Uebertragungselement und Zylinder gelenkig. Die genauen geometrischen Anforderungen sind in Anspruch 5 beschrie¬ ben. Die Beispiele Bild 1 und 6 zeigen drei Beispiele von vielen Möglichkeiten.In this rotary reciprocating machine, the stroke movement is converted into a rotary movement (or vice versa) as follows: The swashplate-like shaft (Figure 1, item 35 or Figure 6, item 37) is or is firmly connected to the piston 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 swashplate-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. The examples in pictures 1 and 6 show three examples of many possibilities.
Das Beispiel in Bild 1 arbeitet ohne Kugelgelenk mit zwei inei- nanderliegenden Gelenken. Das innere Gelenk überträgt nur ra¬ diale 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) .
. .The example in Figure 1 works without a ball joint with two interlocking joints. The inner joint transmits only 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). , ,
- 14 -- 14 -
Im Beispiel nach Bild 6 ist die taumelscheibenartige Welle in den Kolben eingeformt. Das Gelenk ist als Kugelgelenk ausgebil¬ det. Bild 6 a und b unterscheiden sich nur durch die verschie¬ dene Art der Kompensation der Längsverschiebung des Gelenkpunk¬ tes. 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. Anwendungen: Motoren: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 articulation 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. Applications: Motors:
Das Gelenk in Bild 1 ist absichtlich sehr gross dimensioniert gezeichnet. Einerseits ist dadurch die Funktion besser ersicht¬ lich. Andrerseits soll damit illustriert werden, dass diese Vor¬ richtung sehr fest dimensioniert werden kann und daher auch für Grossmotoren geeignet ist, z.B. für Schiffe. (Pos 37 und 38 kön¬ nen 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 Flug¬ zeugmotoren und Fahrzeugmotoren interessant, usw. Dazu kommen die weiteren Vorteile des Dreh-Hubkolben-Motors, z.B. die einfache Steuerung des Ladungswechsels. Uebrige:The joint in Figure 1 is intentionally drawn very large. On the one hand, this makes the function easier to see. On the other hand, it is intended to illustrate that this device can be dimensioned very firmly and is therefore also suitable for large engines, e.g. for ships. (Items 37 and 38 can also be dimensioned as large as desired). The slim design is also ideal for deep installation lengthways in the keel. The slim design and the low weight are also interesting for aircraft engines and vehicle engines, etc. In addition, there are the further advantages of the rotary piston engine, e.g. easy control of the gas exchange. 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. Varianten:.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 e.g. ideal for oil pumps. Variants:.
- Zwei solche Vorrichtungen pro Dreh-Hubkolben, wobei die Ge¬ lenke diametral gegenüberliegen. Dadurch wird die Exzentri¬ zität der axialen Kraftwirkung auf den Kolben kompensiert.- Two such devices per rotary reciprocating piston, the joints being diametrically opposite. This compensates for the eccentricity of the axial force acting on the piston.
- taumelscheibenartige Welle und Uebertragungselement bilden zusammen einen Elektromotor bzw. Elektrogenerator. (Anspruch 11) .
- 15 -- Swashplate-like shaft and transmission element together form an electric motor or electric generator. (Claim 11). - 15 -
6., 12. Diese Dreh-Hubkolbenmaschine erfüllt den gleichen Zweck wie die vorher besprochene. Funktion:6., 12. This rotary reciprocating machine serves the same purpose as that previously discussed. 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 DrehrHubbewegung versetzt. Umgekehrt dreht die Hubbewegung des Kolbens die Hohlwelle. Die Gestaltung des Gelenks ist im Anspruch 6 analog zu demjeni¬ gen von Anspruch 5 definiert. Bild 7 und 8 zeigen wiederum zwei von vielen möglichen Beispielen. Anwendungen: wie Anspruch 5. Unterschiede zu Anspruch 5: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, e.g. the articulation point (item 42), you can 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. Applications: as in claim 5. Differences from claim 5:
- Der axiale Platzbedarf im Zylinder ist hier geringer. Dadurch kann der Dreh-Hubkolben kürzer gebaut werden.- The axial space requirement in the cylinder is less here. This allows the rotary piston to be made shorter.
- Die konstruktive Krafteinleitung auf den Kolben ist unter¬ schiedlich- The structural application of force to the piston is different
- Das Gelenk rotiert um die Zylinderachse. Varianten:- The joint rotates around the cylinder axis. Variants:
- Ebenso ist auch hier die Anordnung von zwei solchen Vorrich¬ tungen pro Dreh-Hubkolben möglich. Dadurch kann der exzentri¬ sche Kraftangriff auf den Kolben kompensiert werden.Likewise, the arrangement of two such devices per rotary reciprocating piston is also possible here. As a result, the eccentric application of force to the piston can be compensated.
- Das die Hohlwelle umgebende Zylinderteil und die Hohlwelle werden als Elektromotor oder Elektrogenerator ausgebildet. (Anspruch 12)- The cylinder part surrounding the hollow shaft and the hollow shaft are designed as an electric motor or an electric generator. (Claim 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.
- 16 -- 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. - 16 -
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.7., 13. A spatial cam track is responsible for the piston movement (Fig. 9..11, item 3), e.g. in the form of a cam 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.
Theoretisch ist jede ganzzahlige Anzahl Hubzyklen pro Vollumdre¬ hung 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.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 be installed on the circumference. This prevents an eccentric force attack on the piston.
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.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: 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 Vor¬ verdichter) nach Anspruch 3 und/oder 8.14. Combinations: Of course, the mentioned claims for generating the rotary-stroke 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 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.15. Coordinating the slot control, piston shape and movement a) The decisive factor is the gas exchange and the piston shape: With 2-stroke engines, pumps and compressors, a working cycle (consisting of two strokes) is completed after a reciprocating movement of the piston.
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.
- 17 -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. - 17 -
Da nun die Drehung der Kolben massgebend die Steuerung des La¬ dungswechsels bestimmt, und da das "Programm" für die Steuerung des Ladungswechsels als Periode einen ganzen Arbeitszyklus um- fasst, ist es am besten, wenn die (assymmetrischen) Kolben eine Umdrehung pro Arbeitszyklus machen. Siehe Bild 3 und 4.Since the rotation of the pistons decisively determines the control of the charge change, and since the "program" for the control of the charge change comprises a whole working cycle as a period, it is best if the (asymmetrical) pistons make one revolution per working cycle do. See pictures 3 and 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 ent¬ sprechender Kolbenform, ein Drittel, Viertel, usw.). Beispiele siehe Bild 5 c,d,e.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. (Analogously, with a corresponding piston shape, a third, a quarter, etc.). For examples see Figure 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 fin¬ det nur in der unteren Hälfte des Hubes statt. In diesem Zeit¬ punkt 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 "querkraftf- reie" 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) :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 time, 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. This means that the piston should make two revolutions per stroke cycle (half a stroke cycle per revolution). Or that you can choose a "non-overhung" 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):
- Dreh-Hubkolben-Maschine mit einem Hubzyklus pro ganze (bzw. halbe, ..) Umdrehung für sämtliche Pumpen und Verdichter und für 2-Takt-Motoren.- Rotary piston machine with one stroke cycle per full (or half, ..) revolution for all pumps and compressors and for 2-stroke engines.
- Zwei Hubzyklen pro ganze (bzw. halbe,..) Umdrehung für 4-Takt-Motoren.- Two stroke cycles per full (or half, ..) revolution for 4-stroke engines.
Mit Dreh-Hubkolben-Maschinen z.B. nach Anspruch 4, 7, 9, 13 sind eine beliebige Anzahl Hubzyklen pro Umdrehung erreichbar. Nach Anspruch 5, 6, 10, 11, 12 ist man auf einen Hubzyklus pro Umdrehung beschränkt.
- 18 -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. - 18 -
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.b) (Welcome) effects on the number of revolutions: For a given stroke frequency, the number of revolutions per revolution determines the number of revolutions of the shaft, or vice versa. For pumps and compressors e.g. the stroke frequency can be increased for a given number of tours.
Für Propellerantriebe bei Fugzeugen und für Schiffsschrauben- Antriebe will man wegen des Propeller- bzw. Schrauben- Wirkungs¬ grades eine langsame Wellendrehzahl. - Langsamlaufende Motoren haben jedoch ein schlechtes Leistungsgewicht, schnellaufende Mo¬ toren würden ein Getriebe erfordern.For propeller drives in aircraft and for propeller drives, a slow shaft speed is desired because of the propeller or screw efficiency. Slow-running motors, however, have a poor power-to-weight ratio; high-speed motors would require a gearbox.
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: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 specifically for use in aircraft:
- die sehr schlanke, zylinderförmige Motorkontur mit zentraler (Propeller-) Welle, die man strömungsgünstig in die Flügel integrieren kann. (Beim Dreh-Hubkolben-Motor kann man problem¬ los 4, 6, 8 oder mehr Brennräume und eine entsprechende Anzahl Kolben in einem Zylinder hintereinander einbauen) .- The very slim, cylindrical motor contour with a central (propeller) shaft, which can be integrated into the wings in an aerodynamically favorable manner. (In the case of the rotary reciprocating piston engine, 4, 6, 8 or more combustion chambers and a corresponding number of pistons can be installed in succession in a cylinder).
- das äusserst geringe Gewicht des Dreh-Hubkolben-Motors.- The extremely low weight of the rotary piston engine.
16. Verwendung der Schlitzsteuerung für Spezialzwecke16. Use of slot control for special purposes
a) Beispiel: Verbrennungsmotor mit Abgasturbolader:a) Example: Internal combustion engine with exhaust gas turbocharger:
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 Abgassammeirohr vor dem Turbolader. Das Abgas strömt mit Schallgeschwindigkeit aus und wird auf das Druckni¬ veau des Abgassammeirohrs entspannt. Dadurch geht viel Nutz¬ energie verloren.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 gas pipe 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 gas collection pipe. As a result, a lot of useful energy is lost.
Es ist besser, wenn in dieser ersten Phase der Druck im Abgas¬ sammeirohr relativ hoch ist. Dadurch erhält der Abgasturbolader
- 19 -It is better if the pressure in the exhaust gas collection pipe is relatively high in this first phase. This gives the exhaust gas turbocharger - 19 -
mehr Energie. Wenn der Druck im Abgassammeirohr 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.more energy. If the pressure in the exhaust gas collection pipe does not exceed approximately half the cylinder internal pressure, the speed of sound is nevertheless achieved. This means that the emptying of the cylinder is not slowed down, the engine does not "feel" the higher back pressure yet.
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 ausßtossende 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 ein¬ fachsten Fall führt er via Schalldämpfer direkt ins Freie. Wegen der höheren Ausbeutung der Abgasenergie in der ersten Pha¬ se erhält der Turbo genügend Energie und benötigt daher nicht die gesmte Abgasmenge.In the second phase, after bottom dead center, when the pressure in the cylinder has dropped, the situation is different: Now the high back pressure makes the piston stroke stroke more difficult. 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 duct. In the simplest case, it leads directly to the outside via a silencer. Because of the higher exploitation of the exhaust gas energy in the first phase, the turbo receives enough energy and therefore does not require the total amount of exhaust gas.
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.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.
Beim Zweitakt-Motor erreicht man einen ungemein schnellen und wirkungsvo11en Gaswechse1.The two-stroke engine achieves an extremely fast and effective gas exchange1.
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.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.
Ein deutlicher Vorteil ergibt das oben erwähnte Prinzip auch für die "Zusammenarbeit" zwischen Motor und Turbo und für die Motorcharakteristik:The principle mentioned above also provides a clear advantage for the "cooperation" between engine and turbo and for the engine characteristics:
Nehmen wir folgendes Beispiel an: Der erste Auslass ist so aus¬ gelegt, dass bei Vollast und relativ tiefer Drehzahl das Abgas, während der Oeffnungszeit des ersten Auslasses, mit Schall¬ geschwindigkeit ausströmt. Nun erhöhen wir die Drehzahl: Die absolute Dauer der Oeffnungszeit des ersten Auslasses verkürzt
- 20 -Let us take the following example: The first outlet is designed in such a way that the exhaust gas flows out at the speed of sound at full load and 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 - 20 -
sich linear mit der Drehzahl. Dafür erhöht sich linear die An¬ zahl der Oeffnungen pro Zeiteinheit. Folglich bleibt die Abgas- menge und Energie vom ersten Auslass für den Turbolader kon¬ stant. (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.become linear with the speed. For this, the number of openings per unit of time increases linearly. Consequently, 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 desired opposite of a typical turbo engine characteristic.
Durch die Auslegung des ersten Auslasses kann also der Konstruk¬ teur die Leistungscharakteristik des Turbo aufgeladenen Motors bestimmen. Das Steuern oder Regeln des Turbos (abblasen usw.) wird überflüssig. b) Das selbe Prinzip, nämlich das "Sortieren" des Arbeitsmediums nach dessen Gehalt an innerer Energie, lässt sich auch beiBy 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) The same principle, namely the "sorting" of the working medium according to its content of internal energy, can also be applied to
Verdichtern verwirklichen: Ein Verdichter kann verschiedene "Verbraucher" mit unterschiedlich stark komprimiertem Gas ver¬ sorgen. 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. c) Beispiel Ottomotor: Um die Zylinderfüllung und dadurch die Leistung verringern zu können (Teillast) , verwendet man heuteRealize compressors: A 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) Example gasoline engine: To be able to reduce the cylinder charge and thereby the power (partial load), one uses today
Drosselklappen im Ansaugkanal. Der durch das Drosseln entstehen¬ de Unterdruck beim Ansaugen ergibt Wirkungsgrad-Einbussen. Beim Dreh-Hubkolbenmotor kann man ungedrosselt ansaugen und die Füllung folgendermassen vermindern: Zu Beginn des Verdichtungs¬ taktes 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. 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, integ¬ rierter Vorverdichter)Throttle valves in the intake duct. The negative pressure created by the throttling during suction results in efficiency losses. In the case of the rotary reciprocating piston engine, one 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 which 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) 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)
- Einblasen von Zusatzluft während des Verbrennungs¬ vorgangs. Zweck: Wirkung als Ther oreaktor, um die Bildung von Stickoxiden zu minimalisieren. (NOx) e) Die Fähigkeit des Dreh-Hubkolbens, Oeffnungen, bzw. Flächen in der Zylinderwand abzudecken, kann auch dazu benützt wer¬ den, Ventile, Düsen, Zünder, Sensoren usw. vor den hohen Ver- br.ennungstemperaturen oder den hohen Drücken zu schützen.- blowing in additional air during the combustion process. Purpose: To act as a thermoreactor to minimize the formation of nitrogen oxides. (NOx) e) The ability of the rotary piston to cover openings or surfaces in the cylinder wall can also be used to valves, nozzles, igniters, sensors etc. in front of the high combustion temperatures or the high ones To protect press.
17. Verstärkung der Rotation des Mediums Die Rotation des Mediums unterstützt die Strömungsvorgänge beim Ladungswechsel . Weitere Anwendungsbeispiele: a) Beim Verbrennungsmotor wird die schnelle Ausbreitung der Ver¬ brennung und die Zündwilligkeit, vor allem bei mageren Gemi¬ schen, wesentlich gesteigert, wenn das Arbeitsmedium kräftig verwirbelt wird. Siehe Bild 14.17. Enhancing the rotation of the medium 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 combustion and the willingness to ignite, especially in the case of lean mixtures, are significantly increased if the working medium is vigorously swirled. See picture 14.
Man kann sogar anstreben, dass die Trägheitskräfte (Zentrifu¬ genwirkung) eine Schichtung der Ladung erzeugen, d.h. dass an der Peripherie bie der Zündkerze das Gemisch reicher und da¬ mit zündwilliger ist als im Zentrum des Arbeitsraumes. b) Bei Pumpen und Verdichtern kann man durch das Umrühren für bestimmte EinsatzzweckeOne can even strive for the inertial forces (centrifugal effect) to create a stratification of the load, i.e. that on the periphery near the spark plug the mixture 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
- eine Entmischung des Pumpmediums oder eine Sedimentation verhindern- prevent segregation of the pump medium or sedimentation
- mit hohen Umfangsgeschwindigkeiten ein gezieltes Auszentri- fugieren des Mediums bewirken.- Effectively centricize the medium at high peripheral speeds.
- Vernetzungsvorgänge im Pumpmedium während des Pumpens verhindern- Prevent cross-linking processes in the pump medium during pumping
- das Festkleben oder Angefrieren des Mediums an der Zylin¬ derwänden verhindern
- Durch ein sich gegen die Zylinderwand hin konisch vergrös- serndes Endvolumen im oberen Totpunkt, wird bei zähflüssi¬ gen Pumpmedien zudem das radiale Ausstossen erleichtert.- prevent the medium from sticking or freezing to the cylinder walls - In the case of viscous pumping media, radial ejection is also facilitated by an end volume which increases conically towards the cylinder wall at the top dead center.
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 ob¬ eren Totpunkts. Bei vielen Anwendungen wäre ein anderer Verlauf der Kolbenbewegung, d.h. eine andere Hubkinematik, wünschens¬ wert.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, the piston motion would be different, i.e. another lifting kinematics, desirable.
Die Hubkinematik der Dreh-Hubkolben-Maschine nach den Ansprü¬ chen 4, 9, 7 und 13 kann man völlig frei wählen und auf den An¬ wendungszweck abstimmen. Bei den übrigen Ansprüchen bezüglich Erzeugung der Kolbenbewegung kann die Hubkinematik in einem ge¬ wissen Rahmen auch gewählt werden. Im Anspruch 18 ist erwähnt, mit welchen geometrischen Grossen man die Hubkinematik dieser Systeme beeinflusst. Anwendungsbeispiele sind auch aufgeführt.The stroke kinematics of the rotary reciprocating machine according to claims 4, 9, 7 and 13 can be chosen completely freely and matched to the intended use. In the other claims relating to the generation of the piston movement, the lifting kinematics can also be selected within a certain range. Claim 18 mentions the geometrical variables with which the lifting kinematics of these systems are influenced. Application examples are also listed.
19. Die Veränderung der Synchronisation zwischen Kolbendreh¬ ung und der Hubbewegung kann beispielsweise bezwecken:19. The change in the synchronization between piston rotation and the lifting movement can have the following purposes, for example:
- Anpassen der Steuerzeiten an den Betriebspunkt der Maschine (Drehzahl, Last etc.)- Adaptation of the control times to the operating point of the machine (speed, load etc.)
- Umstellen der Steuerzeiten auf Rückwärtslauf bei Motoren ohne Umkehrgetriebe (z.B. Gross-Schiffsdiesel) .- Switching the control times to reverse running for engines without reversing gear (e.g. large marine diesel).
20. Hubverstellung: Einrichtungen zum Verstellen der Hublänge werden normalerweise eingesetzt, um das Fördervolumen einer Pumpe oder das Schluck¬ volumen eines (Hydraulik-) Motors zu verändern, z.B. bei hydro¬ statischen Getrieben.
- 23 -20. Stroke adjustment: Devices for adjusting the stroke length are normally used to change the delivery volume of a pump or the swallowing volume of a (hydraulic) motor, for example in the case of hydrostatic transmissions. - 23 -
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 Ma¬ schine (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) .21. We have seen that the piston rotates and lifts. The transmission of the rotation of the piston from the inside of the machine to the outside is the subject of this point: Imagine a central shaft which passes through the machine on the central axis of the cylinder and at one end of the machine (or at both ends) on the end face leads to the outside. 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).
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.Or you can let the shaft take part in the stroke movement of the piston and then compensate the stroke movement of the shaft at another point, e.g. at the front of the machine.
Die Abdichtung der Welle geschieht problemlos z.B. mit Stangen¬ dichtungen (analog zu den Kolbenringen beim Hubkolbenmotor, aber innendichtend!) .The shaft is easily sealed e.g. with rod seals (analogous to the piston rings on the reciprocating piston engine, but with an inner seal!).
22. Wie wir bei Punkt 21 gesehen haben, wird zwischen Dreh- Hubkolben und zentraler Welle das Drehmoment übertragen. Gleich¬ zeitig muss sich der Kolben auf der Welle längs verschieben kön¬ nen, um die Hubbewegung auszuführen.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.
Mit Wälzkörpern (Rollen etc.) kann man diese Drehmomentübertra¬ gung so gestalte, dass auch die Hubbewegung mit wenig Reibung läuft. Eine solche Konstruktion würde beispielsweise ähnlich gestaltet wie die homokinetischen Wellengelenke mit Längenaus¬ gleich, die man vom Auto - Vorderradantrieb her kennt. Diese Konstruktion gleicht zudem Fluchtungsfehler aus.
- 24 -With rolling elements (rollers etc.) this torque transmission can be designed in such a way that the stroke movement also runs with little friction. Such a construction would, for example, be designed similarly to the constant velocity universal joints that are known from car front wheel drive. This construction also compensates for misalignments. - 24 -
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 Elastizi¬ tät in axialer Richtung auf.23. Diaphragms or bellows (see Fig. 15 a and b) can also transmit the torque with their torsional stiffness (and strength). They take up the stroke movement with their high elasticity in the axial direction.
Diese Konstruktionen sind sehr billig und praktisch reibungsfrei.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 ro¬ tierenden Teile.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.
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 dre¬ henden Teile in elektrische Energie ist sinnvoll, z.B. indem der Anker eines konventionellen elektrischen Motors oder Generators direkt auf dem drehenden Teil befestigt ist.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, e.g. by fixing the armature of a conventional electric motor or generator directly to the rotating part.
Bei der Maschine nach Anspruch 4 kann die Drehbewegung sowieso direkt über die Mantelfläche des Dreh-Hubkolbens elektromagne¬ tisch nach aussen übertragen und in elektrische Energie umgewan¬ delt werden (bzw. umgekehrt) .In the case of the machine according to claim 4, the rotary movement can in any case be transmitted directly to the outside via the outer surface of the rotary piston and converted into electrical energy (or vice versa).
Eine Bewegungsübertragung, speziell für die Dreh-Hubkolben-Ma¬ schine nach Anspruch 6, ist in Anspruch 12 behandelt.A motion transmission, especially for the rotary reciprocating 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.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 "dog clutch". Piston shapes according to Figure 5 c.e are suitable for this, for example.
Kolbenform und Hublänge müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass die Kolben bei jeder Hubstellung dauernd ineinander im Eingriff bleiben.The piston shape and stroke length must be coordinated so that the pistons remain in engagement with each other at every stroke position.
Um die Reibung zu vermindern, kann die Kraft anstatt direkt via Gleitflächen auch indirekt via Wälzkörper übertragen werden, die
- 25 -In order to reduce friction, the force can be transmitted indirectly via rolling elements instead of directly via sliding surfaces - 25 -
zwischen den beiden Kolbenflächen liegen.lie between the two piston surfaces.
26. Schmierung26. Lubrication
Die Rotation des Kolbens auf der Zylinderwand kann ausgenützt werden, um einen hydrodynamischen Schmierzustand zu erreichen (Aufschwimmen auf dem Schmierfilm) . - Beim konventionellen Hub¬ kolbenmotor 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: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 normally occurs in 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 lateral 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 design whether lateral forces occur at all:
Querkräfte vorhanden sind bei den Maschinen mit nur einem Hub¬ zyklus pro Umdrehung und nur einer Vorrichtung zur Bewegungser¬ zeugung 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.Shear forces are present in 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, easily and with little friction.
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).There are normally no lateral forces 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 (e.g. point-symmetrical) (Fig. 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.Back to lubrication: In order to prevent the lubricant from getting into the work area or into the outlet openings, a scraper ring is installed in the cylinder.
27. Die einfache Umwandlung der Hubbewegung in eine Drehbewe¬ gung nach einem der Ansprüche 4..7, 9..13 hat auch dann Vortei¬ le, wenn die Kolbendrehung nicht erwünscht ist und daher aufge¬ hoben wird. Typisches Anwendungsbeispiel ist die Membranpumpe.
- 26 -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. - 26 -
Bild 1: Schematische Zeichnung Bildlegende eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben- 1 Zylinder Motors mit vier Arbeiträumen, la,b,c Zylinderteile Ladungswechsel nach Anspruch 1, 2 Dreh-Hubkolben (macht Erzeugung der Kolbenbewegung nach Dreh-Hub-Bewegung) Anspruch 5. (Vgl. auch Bild 13) 3 KurvenbahnFigure 1: Schematic drawing of the legend of a 2-stroke rotary piston 1-cylinder engine with four working spaces, la, b, c cylinder parts. Charge change according to claim 1, 2 rotary pistons (makes generation of the piston movement after rotary stroke movement) 5. (See also Fig. 13) 3 cam track
4 Führungen4 tours
Bild 2: Illustration der Steuerung 5 Kolben, nur rotierend des Gaswechsels mit den Kolben. 6 Kolbenringe Die Kolbenbewegung wird mit einem 7 Arbeitsraum konventionellen Kreuzkopf-Kurbel¬ 7a dito, Maximalvolumen trieb erzeugt. Zusätzlich wird 7b dito, Endvolumen oder wird eine Drehbewegung überlagert. EndkompressionsvolumenFigure 2: Illustration of the control 5 pistons, only rotating the gas exchange with the pistons. 6 piston rings The piston movement is generated with a 7 working space conventional cross-head crank 7 ditto, maximum volume drive. In addition, 7b ditto, final volume or a rotary movement is superimposed. Final compression volume
8 Einlasskanal8 inlet duct
Bild 3: Schema des Ladungswech¬ 9 Auslasskanal sels bei einer Pumpe. Gleichzei¬ 10 Einlassströmung tig findet ein Hubzyklus statt. 11 Auslassströmung Jede halbe Hublänge ist gezeichnet. 12 ZündkerzenFig. 3: Scheme of the charge change 9 outlet channel for a pump. At the same time, a stroke cycle takes place. 11 Outlet flow Every half stroke length is drawn. 12 spark plugs
13 Einspritzdüse (Diesel)13 injector (diesel)
Bild 4: Schema der 4 Takte eines 14 durchgehende, zentrale Verbrennungsmotors (2 Hubzyklen) . WelleFig. 4: Scheme of the 4 cycles of a 14 continuous, central combustion engine (2 lifting cycles). wave
15 Radial-Wellendichtring15 radial shaft seal
Bild 5: Kolbenform - Beispiele: 16 Wippe a, b: asymmetrische Kolben, 17 Wippenlagerung c,d,e: "querkraftfreie" Kolben 18 Membrane (zur Drehmo¬ (hier punktsymmetrisch) mentübertragung) Bild 6: Mechanische Umwandlung 19 Balg (zur Drehmoment¬ der Hub- in eine Drehbewegung nach übertragung) Anspruch 5. Vergleiche auch Bild 1. 20 Anker a und b zeigen als Beispiele zwei 21 Stator verschiedene Arten des Längenaus¬ 22 Antrieb zur Erzeugung gleichs. der KolbendrehungFig. 5: Piston shape - examples: 16 rocker a, b: asymmetrical piston, 17 rocker bearing c, d, e: "shear-free" piston 18 membrane (for torque (here point-symmetrical) transmission) Fig. 6: Mechanical conversion 19 bellows (for torque ¬ the stroke in a rotary motion after transmission) claim 5. Compare also Figure 1. 20 anchors a and b show as examples two 21 stator different types of Längenaus¬ 22 drive to generate the same. the piston rotation
23 Kolbenstange23 piston rod
Bild 7 und 8: Erzeugung der Dreh- 24 Axiallager Hub-Bewegung des Kolbens nach An¬ 25 Kreuzkopf spruch 6. Schematische Beispiele. 26 Kreuzkopf-Gleitbahn
27 -7 and 8: Generation of the rotary 24 axial bearing stroke movement of the piston according to claim 25 crosshead 6. Schematic examples. 26 crosshead slideway 27 -
Bild 9: Mechanische Umwandlung 27 Pleuelstange der Hub- in eine Drehbewegung 28 Kurbelwelle nach Anspruch 7. Beispiel mit 29 Ventil scheibenähnlicher Kurvenbahn, 30 Ansaugkanal über Hohl¬ ein Hubzyklus pro Umdrehung. welleFigure 9: Mechanical conversion 27 connecting rod of the stroke into a rotary motion 28 crankshaft according to claim 7. Example with 29 valve disk-like cam track, 30 suction channel via hollow one stroke cycle per revolution. wave
31 rotierender, innerer31 rotating, inner
Bild 10: wie Bild 9, aber mit Vorverdichterkolben zwei Hubzyklen pro Umdrehung. 32 Rückschlag - VentilPicture 10: like picture 9, but with pre-compression piston two stroke cycles per revolution. 32 Check valve
33 Auslasskanal des ver¬33 outlet duct of the ver¬
Bild 11: wie Bild 9, aber mit verdichteten Mediums Kurvenbahn als umlaufende Nut. aus dem Dreh-Hubkolben.Fig. 11: like Fig. 9, but with compressed medium curve path as a circumferential groove. from the rotary piston.
34 Einlasskanal des vor¬34 inlet channel of the front
Bild 12: Verbindung der Führun¬ verdichteten Mediums gen mit Wippen (Anspruch 13) in den Arbeitsraum des ZylindersFigure 12: Connection of the guide-compressed medium with rockers (claim 13) in the working space of the cylinder
Bild 13: Schematische Beispiel 35 taumelscheibenartige eines 2-Takt - Dreh-Hubkolben- Welle, scheibenförmig Motors mit -vier Arbeitsräumen, in Kolben eingesenkt. um eine halbe Wellendrehung 36 taumelscheibenartige unterschiedlich dargestellt. Welle, in Kolben ein¬ Bewegungsumwndlung nach An¬ gesenkt. spruch 7. Vgl. auch Bild 1. 37 geometrische Mittel- Achse der tau elschei-Fig. 13: Schematic example of a swashplate-type 35 swash-plate rotary piston shaft, disk-shaped engine with four working spaces, sunk in the piston. shown swashplate-like different by half a shaft rotation 36. Shaft, movement conversion in piston reduced according to An¬. saying 7. See also Figure 1. 37 geometric center axis of the tau elschei-
Bild 14: Beispiel einer Brenn¬ benartigen Welle raumgestaltung für einen Die¬ 38 Uebertragungselement selmotor mit Erzeugung von 39 Gelenkpunkt zwischen Turbulenz im torusförmigen dem Uebertragungsele¬ Wirbelraum (43) . ment und dem Zylinder Oben: Schnitte je durch beide 40 Hohlwelle Kolben im oberen Hubtotpunkt. 41 geometrische Mittel- Unten: Ansicht auf die Stirn¬ Achse der Hohlwelle seite des unteren Kolbens. (schneidet die Zylin¬ derachse)Figure 14: Example of a combustion chamber-like shaft design for a diesel transmission element with generation of a 39 articulation point between turbulence in the toroidal vortex chamber (43). ment and the cylinder above: cuts through both 40 hollow shaft pistons at the top dead center of the stroke. 41 geometric middle - bottom: view of the front axis of the hollow shaft side of the lower piston. (intersects the cylinder axis)
Bild 15: Drehmomentübertragung 42 Gelenkpunkt zwischen zw. zentraler Welle und Kolben dem Kolben und der mit Membrane (a) , mit Balg (b) . Hohlwelle
- 28 -Fig. 15: Torque transmission 42 Joint point between the central shaft and the piston, the piston and the one with diaphragm (a), with bellows (b). Hollow shaft - 28 -
Bild 16: Integrierter Vorverdich¬ 43 torusförmiger Wirbel¬ ter nach Anspruch 3, 8, 14 und 16 raum mit innerem, drehenden Kolben im 44 Magnetpol, welcher den Dreh-Hubkolben, schematisches Anker führt Beispiel. 45 Magnetpol, welcher den Anker treibtFigure 16: Integrated precompression 43 toroidal vortex according to claim 3, 8, 14 and 16 space with an inner, rotating piston in the 44 magnetic pole, which guides the rotary piston, schematic anchor example. 45 magnetic pole, which drives the armature
Bild 17: Dreh-Hubkolben-Maschine Bezeichnung als Beisp.: mit elektrischer Erzeugung der "N" = Nordpol Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4. "S" = Südpol Links ist die Steuerung des La¬ 46 Hilfswicklung für Start dungswechsels konventionell mit Ventilen dargestellt, rechts ge¬ mäss Anspruch 1. Die Mantelflä¬ che des Ankers ist oben durch das konzentrierte Magnetfeld des Stators axial geführt.Figure 17: Rotary reciprocating machine designation as an example: with electrical generation of the "N" = north pole rotary stroke movement according to claim 4. "S" = south pole On the left, the control of the auxiliary winding for starting change is conventionally shown with valves , right hand according to claim 1. The outer surface of the armature is axially guided through the concentrated magnetic field of the stator.
Bild 18: Erzeugung der Dreh-Hubbewegung nach Anspruch 4 und 9. Beispiel für nicht dauermagnetischen, aber magnetisierbaren An¬ ker. Ein Hubzyklus pro Umdrehung. Die Hilfswicklung (46) dient nur für den Start der Maschine.Figure 18: Generation of the rotary stroke movement according to claim 4 and 9. Example of non-permanently magnetic, but magnetizable anchors. One stroke cycle per revolution. The auxiliary winding (46) is only used to start the machine.
Bild 19: wie Bild, aber als Unterschied mit zwei zusätzlichen Stellen, an denen Treiberpole (45) angeordnet sind. Die Treiber¬ pole werden zueinander zeitlich verschoben (phasenverschoben) angesteuert. Hilfswicklungen für den Start sind nicht nötig.Image 19: as 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.
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) .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).
Bild 21: wie Bild 20, aber mit 4 Stellen, die den Anker treiben. Beispiel mit Mehrphasen-Wechselstrom (Drehstrom) .Picture 21: like picture 20, but with 4 places that drive the anchor. Example with multi-phase alternating current (three-phase current).
Bild 22: Form des Ankers von Bild 20 und 21. Beachte die Analo¬ gie zur Form der Kurvenbahn nach Anspruch 7, Bild 2 b.
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.
Claims
- 29 - - 29 -
PATENT-ANSPRUECHEPATENT CLAIMS
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 begren¬ zenden Kolben zusätzlich zur Drehbewegung auch eine oscillie¬ rende 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 zu¬ deckt oder freigibt, wobei die Stirnflächen beider Kolben so geformt sind, dass diejenige Kantenlinie, welche die dem Arbeitsraum zuge¬ wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel¬ fläche begrenzt und daher als Steuerkante wirkt, nicht in ei¬ ner 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 Ma¬ schine beliebig kleines Endvolumen erreicht wird, oder, dass der Arbeitsraum nur auf einer Stirnseite von einem oben be¬ schriebenen Kolben begrenzt ist, welcher eine Drehbewegung oder Dreh-Hubbewegung ausführt und die Oeffnungen in der Zy¬ lindermantelfläche 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 Hub¬ totpunktes keine oder nur eine so geringe Drehbewegung aus¬ führt, 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 axia¬ ler und radialer Komponente bewirkt, oder so, dass sich die radialen Kraftkomponenten gegenseitig aufheben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.Piston machine, with one or more working spaces per cylinder, usable as power or working machine, characterized in that pistons rotating synchronously with one another about the cylinder central axis delimit the working space or the working spaces on both sides, at least one of the two pistons delimiting a working space also in addition to the rotary movement executes an oscillating stroke movement parallel to the cylinder axis, and that at least one of these two pistons controls one or more openings in the cylinder wall by covering or uncovering openings with its outer surface during each working cycle, the end faces of both pistons being shaped in this way, 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 refer to their shape and their position in relation to one another, in the top dead center of the stroke, fit into one another 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 limited only on one end face by a piston described above, which is a Performs rotary movement or 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 with respect to their shape and their Position in relation to each other, in the top dead center of the stroke, so that a small final volume is reached. However, in order to avoid butt between the rotating and the non-rotating end face, the rotating piston in the area of the top dead center of the hub performs no or only as little rotary movement as the distance between the two end faces and the shape of the end faces allows, all of them 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 axial and radial components, or so that the radial force components cancel each other out, so that only an axial force results on the piston .
Kolbenmaschine, mit einem oder mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Kraft- oder Arbeitsmaschine, dadurch gekennzeichnt, dass der Kolben eine oscillierende Hubbewegung parallel zur Zylin¬ derachse 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 zuge¬ wandte Kolbenstirnfläche und zugleich auch die Kolbenmantel¬ fläche 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 aufhe¬ ben, so dass nur eine Axialkraft auf den Kolben resultiert.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 it covers or releases openings with its outer surface during each work cycle, the edge line which delimits the piston end face facing the work space and at the same time also the piston outer surface and therefore acts as a control edge, is not in one plane, but is also placed at the same time that the radial force components from the pressure of the working medium on the piston face cancel each other out, so that only an axial force results on the piston.
Kolbenmaschine mit mehreren Arbeitsräumen pro Zylinder, verwendbar als Arbeits- oder Kraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kolben, welcher eine oscillierende Hubbe¬ wegung und eine Drehbewegung um die Zylinderachse ausführt, mit seinen Innenflächen als Zylinder dient für einen darin eingeschlossenen, zusätzlichen inneren Kolben, welcher auf
- 31 -Piston machine with several working spaces per cylinder, usable as a working or power machine, characterized in 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 on - 31 -
einer in den Dreh-Hubkolben hineinreichenden oder durch den Dreh-Hubkolben durchgehenden zentralen Welle oder Achse befe¬ stigt ist und daher relativ zum ihn umschliessenden Dreh-Hub¬ kolben eine oscillierende Hubbewegung macht, wodurch dieses innere System ebenfalls als Arbeits- oder Kraftmaschine wirkt.a central shaft or axis extending into the rotary piston or passing through the rotary piston is attached 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.
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 Dreh¬ bewegung und gleichzeitig eine oscillierende Hubbewegung aus¬ führt, 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 konzent¬ rierte magnetische Kraftwirkung an einer oder an mehreren, meist ortsfesten Stellen des Stators axial geführt wird, wo¬ bei 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 Kraft¬ wirkung unterstützt wird, oder nicht behindert wird, indem das Statorfeld dort, bezüglich der axialen Breite, nicht kon¬ zentriert, oder Null ist, oder
- 32 -Device for converting an oscillating lifting movement into a rotary movement - or vice versa -, or for generating a lifting, rotating or rotating lifting movement by means of electrical energy or for generating electrical energy from the movements mentioned, in particular when used for the rotating lifting 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 stroke movement, this rotational stroke movement being achieved in that the armature is shaped in this way is that the two edge lines, which axially delimit the lateral surface of the armature, are not 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 stationary with it Magnetic poles or windings is u nd the outer surface of the armature is guided axially by concentrated magnetic force at one or more, usually stationary, locations of the stator, whereas at the locations of the stator where the outer surface of the armature executes an axial movement relative to the stator, this axial Movement is supported by the stator by means of an oscillating magnetic force effect acting axially or axially tangentially, or is not impeded by the stator field there not being centered or zero with respect to the axial width, or - 32 -
b) dass der Anker aus magnetisierbarem, aber nicht dauermag¬ netischem Werkstoff besteht und an seiner Mantelfläche eine ungefähr gleichbleibende axiale Breite aufweist, und dass der Stator an mindestens zwei Stellen an seinem Umfang mit magne¬ tischen Kräften auf den Anker einwirkt, nämlich so, dass der Stator durch mindestens ein konzentriertes Magnetfeld den An¬ ker 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 Sta¬ tor 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, 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 be¬ schriebenen Funktionen und Merkmale des Stators aufweist.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 at least two points on its circumference, namely as follows, that the stator magnetizes the armature by means of at least one concentrated magnetic field 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 due to the stator field has a pole, the stator acts by axially or axially tangentially acting oscillating magnetic force on the armature, or that, as an alternative to the variants mentioned, the externally arranged stator has the described functions and features of the armature and analogously to Anchor has the described functions and features of the stator.
Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh¬ bewegung um die Zylinder-Mittelachse - oder umgekehrt -, wobei eine Dreh-Hubbewegung entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine taumelscheibenartige Welle, deren Mittel¬ achse die Zylinderachse in einem Schnittpunkt schneidet, in den Dreh-Hubkolben eingeformt oder mit dem Dreh-Hubkol¬ ben verbunden ist, dass auf dieser taumelscheibenartigen Welle ein Uebertra¬ gungselement 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 senk¬ recht zur Achse der taumelscheibenartigen Welle liegen, und
- 33 -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 occurs, characterized in that at least one swashplate-like shaft, the central axis of which Cylinder axis intersects at an intersection, is formed in the rotary piston or is connected to the rotary piston, that on this swashplate-like shaft a transmission element is rotatably mounted 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 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 - 33 -
dass dieser gelenkige Lagerpunkt in geometrisch geführter Weise ungefähr in Richtung radial zur Zylinderachse ver¬ schiebbar ist, oder dass das Uebertragungselement eine Län¬ genänderung bezüglich des Abstands zwischen seiner Lagerung am Zylinder und seiner Lagerung auf der Welle zulässt.that this articulated bearing point can be displaced in a geometrically guided manner approximately in the direction radially to the cylinder axis, or that the transmission element permits a change in length with regard to the distance between its mounting on the cylinder and its mounting on the shaft.
Kolbenmaschine, bei der die oscillierende Hubbewegung des Kolbens relativ zum Zylinder umgewandelt wird in eine Dreh¬ bewegung 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 ei¬ gene 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 Koordinaten¬ achsen 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 ge¬ führte Weise verschiebbar ist.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 occurs, characterized in that at least one short hollow shaft is embedded in the cylinder or with it 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 the inside, at a point outside the cylinder center axis, on the rotation -Hubkolben is attached, in such a way that this mounting allows relative pivoting movements between the hollow shaft and the rotary 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 in approximately radial direction to the axis of the rotary Hu piston or in an approximately radial direction to the axis of rotation of the hollow shaft in a geometrically guided manner.
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 Zy¬ linder-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.Piston machine according to one of claims 1, 2 or 3, characterized in that the oscillating stroke movement of the piston relative to the cylinder is converted into a rotary movement about the central cylinder 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, the cam track being 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 control of the charge change takes place in at least one outer working 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 Hub¬ zyklen 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, spu¬ lenlosen- Anker, a) bei der Gleichstrom-Maschine entweder bei allen n Führungsstellen des Stators die Polari¬ tät 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-Wechselstrom aschine 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 er¬ zeugt werden, welche mittels Drehstrom ein axial wanderndes Feld erzeugen und den Anker mitbewegen, wobei an den Bewe¬ gungstotpunkten entweder die Richtung des Drehstroms oder die Polung der Führungsstellen gewechselt wird, wobei, bei gewissen Ausführungsarten, für den Start der Ma¬ schine 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 DC machine or as a single-phase or multi-phase AC machine and that the whole number n places where the stator axially guides the outer surface of the armature is equal to the number There are n identical stroke cycles per revolution, and that these n guide points are arranged fixedly on the stator at identical angular distances with respect to the axis of rotation, and that in the variant with a non-permanent-magnet, coil-free armature, a) in the case of the direct current Machine either at all n guide points of the stator the polarity remains constant and between the guide points a whole number of axially or axially tangentially acting, driving magnetic forces from the stator act on the armature by two coils lying axially next to each other at these driver points that attract or repel the magnetized armature with different polarities and you By changing the polarity periodically change their polarity, or that all n command points change their polarity periodically, while the 2 poles at the stator driver points remain constant. b) in the single-phase alternating current machine, the arrangement of the poles is analogous to the direct current machine, but the polarity changes due to the current profile, with the current being rectified for the constant magnetic poles, or a permanent magnet being used, c) in the multiphase three-phase current -Machine, the poles of the n axial guide points of the stator remain constant and the driving fields lying between them are generated by several coils, arranged axially next to each other, which generate an axially moving field by means of three-phase current and move the armature with it either the direction of the three-phase current or the polarity of the guide points is changed for the dead center of movement, with one or more auxiliary coils, which, for example, relative to, are required for certain types of starting or starting the machine or for determining the direction of rotation the other coils are offset by an angle with respect to the axis of rotation, are placed on the stator n.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Radial-Lagerflache der taumelscheibenartigen Welle zwischen den Axial-Führungsflachen eingeformt ist, so dass das Uebertragungselement zwischen die Axial-Füh- rungsflächen eingelagert ist und mit seinen Seitenflächen die Axialführung übernimmt, oder dass die taumelscheibenartige Welle wie eine Kreis¬ scheibe geformt ist, welche vom Uebertragungselement von aussen her umgriffen wird, so dass die Kreisscheiben-Man¬ telfläche als Radial-Lagerflache und der äussere Bereich der beiden Seitenflächen als Axial-Lagerflachen dienen, wobei bei beiden Varianten das Uebertragungselement auf der taumelscheibenartige Welle mit Gleitlagern oder bei¬ spielsweise, in entsprechend angepasster Bauweise, mit Wälzlagern gelagert ist.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 5 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die taumelscheibenartige Welle und das darauf gelagerte Uebertragungselement so ausgebildet sind, dass sie zusam¬ men einen Elektromotor oder Elektrogenerator bilden, so dass infolge magnetischer Kraftwirkung ein Drehmoment zwi¬ schen diesen beiden Teilen entsteht, wodurch aus elektri¬ scher Energie die Kolbenbewegung erzeugt, oder umgekehrt aus der Kolbenbewegung elektrische Energie erzeugt wird,10. Piston machine according to claim 5, characterized in that the radial bearing surface of the swash plate-like shaft is formed 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 Swashplate-like shaft is shaped like a circular disk, which is encompassed by the transmission element from the outside, so that the circular disk jacket 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 in both variants is mounted on the swashplate-like shaft with plain bearings or, for example, in a correspondingly adapted construction, with roller bearings. 11. Piston machine according to claim 5 or 10, characterized in that the swash plate-like shaft and the transmission element mounted thereon are designed such that they together form an electric motor or electric generator, so that a torque is generated between these two parts as a result of magnetic force , whereby the piston movement is generated from electrical energy, or conversely electrical energy is generated from the piston movement,
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 power transmission of the machine to the outside takes place through the rotating hollow shaft, for example mechanically by means of gear wheels, or by the hollow shaft and its mounting in the cylinder being designed such that they together form an electric motor or electric generator, whereby the rotation of the hollow shaft or the rotation of the hollow shaft generates electrical energy by means of electrical energy.
13. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Führungsrollen oder Gleiter durch Wippen miteinander verbunden sind.13. Piston machine according to claim 7, characterized in that guide rollers or sliders are connected to one another 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.
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 Maschi¬ ne, 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 Zy¬ linderwand 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-Ver- brennungsmotor, 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 wieder¬ holt, die genannte Anzahl Hubzyklen nicht pro Umdrehung sondern pro entsprechendem Bruchteil einer Umdrehung gilt.14. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3 or 8, characterized in that the associated piston movements according to claim 4, 5, 6, 7, 9, 10, 11, 12 or 13 arise. 15. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3, 7, 8, 13 or 14, characterized in that the piston shape and the number of lifting cycles per revolution are based on the intended use and the working method of the machine, for example 2-stroke or 4 Cycle, is coordinated such that the sequence of the control of openings in the cylinder wall, which is dependent on the piston movement and the piston shape, is repeated periodically with the working cycle of the machine, namely in that, for example, the piston in a 4-stroke engine has two stroke cycles per cycle Revolution and with a 2-stroke machine, a compressor or a pump, one stroke cycle per revolution, and with a 2-stroke internal combustion engine, which controls the gas exchange with the rotary piston and not with only a rotating piston, half a stroke cycle per revolution, for those piston shapes in which the shape of the edge line which is effective for the control and which delimits the piston jacket surface on the front side, n repeats geometrically periodically after a fraction of a revolution, the stated number of lifting 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 las¬ sen, sodass beispielsweise beim Verbrennungsmotor nach der Verbrennung die noch energiereichen Auspuffgasse unter ho¬ hem Druck dem Abgasturbolader zugeführt werden und dann die verbleibenden Auspuffgase unter niedrigem Druck in einen andern Kanal ausgestossen werden,
- 38 -16. Piston machine according to one of claims 1, 2, 3, 7, 8, 13, 14 or 15, characterized in that the ability of the piston, through its shape and through its rotary movement or rotary stroke movement, to open openings in the cylinder wall as desired control is used to fulfill the following purposes, namely to let the working medium, sorted according to the content of internal energy, flow out into various outlet channels, so that, for example, in the case of the internal combustion engine after combustion, the exhaust gas passages, which are still high in energy, exert high pressure on the exhaust gas turbocharger are fed and then the remaining exhaust gases are discharged into another duct under low pressure, - 38 -
und / oder um, zwecks Leistungs- oder Mengenregulierung, anstatt das Arbeitsmedium beim Ansaugen verlustvoll zu drosseln, das ungedrosselt angesaugte Arbeitsmedium zu Be¬ ginn des Verdichtungstaktes wieder teilweise ausströmen zu lassen durch eine Oeffnung in der Zylinderwand - oder durch mehrere, gestaffelt angeordnete Oeffnungen -, welche man mit Drosselklappen o.a. verschliessen kann, und / oder um zu bestimmten Zeitpunkten zusätzliche Medien ins Arbeitsmedium einströmen zu lassen.and / or in order to regulate output or volume, instead of throttling the working medium lossily during suction, to let the unthrottled working medium flow out again at the beginning of the compression stroke through an opening in the cylinder wall - or through several staggered openings - which one with throttle valves or the like 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 Dre¬ hung 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-radia- ler 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 heraus- gepresste Arbeitsmedium so in einen Wirbelraum einströmt, dass in jeder theoretischen Schnittebene betrachtet, wel¬ che durch den Wirbelraum geht und senkrecht zur Rotation¬ sachse 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.
- 39 -17. Piston machine according to one of claims 1 to 16, characterized in that the rotation or swirling, which is caused by the rotation of the piston and = if present = the central shaft, is reinforced by a corresponding design of the surface of the working medium facing piston end faces, by a corresponding design of the surface of the central shaft, and / or = if present = by the arrangement of the inlet channels in a tangential-radial direction to the cylinder axis, and / or that additional rotational movements or eddies of the working medium are also generated in other rotational axes are designed in such a way 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 top dead center of the stroke in such a way that in every theoretical section plane it is considered which goes through the whirling space perpendicular to the rotation ¬ axis of the vortex thus generated, the working medium flows from different sides tangentially into the vortex space, this vortex space having, for example, the shape of a torus. - 39 -
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 Arbeitsver¬ fahren 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, wel¬ ches das Uebertragungselement mit dem Zylinder verbindet, durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson¬ ders der Längsverschiebbarkeit, und durch die Schaffung eines - sonst eigentlich nicht er¬ forderlichen - 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 Auf ren- nung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funk¬ tionen - dasjenige Gelenk massgebend ist, welches dem Füh¬ rungselement 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 Mit¬ telachsen und der gelenkigen Verbindung des Kolbens mit der Hohlwelle, durch die Gestaltung dieser gelenkigen Verbindung, beson¬ ders der Längsverschiebbarkeit, und durch die Schaffung eines sonst eigentlich nicht er¬ forderlichen Abstands zwischen der theoretischen Ebene, welche durch den erwähnten Schnittpunkt geht und senkrecht
- 40 -18. Piston machine according to one of claims 4 ... 7 or 9 ... 17, characterized in that the kinematics of the oscillating stroke movement relative to the rotary movement is adapted to the intended use and the working method of the machine, namely a) after the machine 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 swashplate-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 of this articulated connection, particularly the longitudinal displaceability, and by the creation of an - otherwise actually not required - distance between the theoretical plane, which passes through the intersection mentioned and perpendicular to the central axis of the ta standing disk-like shaft, and the joint, whereby - in the case of a structural opening of the joint into several joints with separate functions - the decisive joint is the one which the guide element mentions the pivoting movement about an axis radially to one of the two Central axes allowed, d) in a machine according to claim 6 or 12, in analogy 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, by the design of this articulated connection, particularly the longitudinal displaceability, and by the creation of an otherwise not actually necessary distance between the theoretical plane, which goes through the intersection mentioned and perpendicular - 40 -
zur Mittelachse der Hohlwelle steht, und dem Gelenk, wobei - im Falle einer konstruktiven Auf rennung des Gelenks in mehrere Gelenke mit getrennten Funktionen - dasjenige Ge¬ lenk massgebend ist, welches dem Führungselement die Schwenkbewegung um eine Achse radial zu einer der beiden Mittelachsen erlaubt.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 - the relevant joint is the one 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, wel¬ che 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 in that the synchronization between the piston rotation and the stroke movement is variable, for example to change the timing by the machine according to claim 4 ... 7 or 9 ... 13 that part of the device which is attached to the cylinder and which causes the rotary stroke movement of the piston is rotated relative to the cylinder about the cylinder axis, or in that the part of the device which is attached to the piston and which causes the rotary stroke movement of the piston relative to the end face of the piston is rotated about the cylinder axis.
20. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 4..7 oder 9..19, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Hubs und/oder das Verdichtungsverhält¬ nis verstellbar ist, bei der Maschine nach Anspruch 4 oder 9 durch axiales Ver¬ schieben 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, in¬ folge 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-
- 41 -20. Piston machine according to one of claims 4..7 or 9..19, characterized in 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 means of magnetic poles which can be optionally switched on and off, or by adjusting the strength of the magnetic forces which bring about the axial force of the piston, so that, owing to the external axial force on the piston and owing to the inertia of the piston, the effective piston stroke can be varied deviates from the theoretical piston stroke, in the machine according to claim 5, 10 or 11, or 6 or 12, by adjusting the angle which the central axis of the swashplate-like shaft or the central axis of the hollow - 41 -
welle zur Zylinderachse aufweist, indem die taumelschei¬ benartige 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.has 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 affect 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 mit¬ tels 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 gewährlei¬ stet wird.21. Piston machine according to one of claims 1 to 20, characterized in that the rotary movement of the piston or the piston is transmitted to one or both outer end faces of the machine by means of a shaft leading through the cylinder central axis, which is designed in this way, that a torque is transmitted between the piston and the shaft and the oscillating stroke movement is guaranteed by an axial displaceability.
22. Kolbenmaschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die, durch die Zy¬ linderachse führende, zentrale Welle entweder mittels Keilwelle oder Formwelle erfolgt, oder mittels Wälzkörper, welche Tangentialkräfte übertra¬ gen und bei der Axialverschiebung sich rollend bewegen, oder mittels längsverschiebbaren homokinetischen Gelenken.22. Piston machine according to claim 21, characterized in that the torque is transmitted from the piston to the central shaft leading through the cylinder axis either by means of a spline shaft or a shaped shaft, 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 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentübertagung vom Kolben auf die durch die Zy¬ linderachse 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.
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 Elektro¬ motors oder Elektrogenerators bildet.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, by means of one or more diaphragms or bellows / rolling bellows or others spring-like elements take place, which allow the axial longitudinal displacement by elastic deformation. 24. Piston machine according to one of claims 1 to 23, characterized in that the rotary movement of the piston about the cylinder axis by tangential force on the piston, or on another part rotating about this axis, transmitted to the outside, 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 Kσlben- stirnseiten 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 in the lower 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.a. vom Arbeitsraum ferngehalten wird.26. Piston machine according to one of claims 1 to 25, characterized in that, in order to reduce friction, the rotating piston and the rotary reciprocating piston rests on a lubricating film which is located in that region of the cylinder wall where there are no openings to be controlled, the lubricant = if it must not get into the work area = through a scraper ring or the like 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 the piston does not rotate relative to the cylinder by the piston or the cylinder being rotatably connected to the device which generates the rotary stroke movement.
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