CH708484A2

CH708484A2 - Work machine with variable compression and possible bulb disconnection under load.

Info

Publication number: CH708484A2
Application number: CH01404/13A
Authority: CH
Inventors: Bruno Portmann
Original assignee: Bruno Portmann; Armin Bärtschi
Priority date: 2013-08-16
Filing date: 2013-08-16
Publication date: 2015-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit variabler Verdichtung unter Last bei gleichzeitiger Reduktion der bewegten Massen und der Trägheitsmomente. Die variable Verdichtung wird erreicht, indem die Kurbelwelle (8) durch eine im Gehäuse drehbar gelagerte Doppelschieber-Geradführung (1) ergänzt wird, wie sie beispielsweise von Ellipsographen bekannt ist. Der Hubzapfen wird dabei im Schieberzentrum oder nahe dem Schieberzentrum angebracht. Dreht sich nun die Kurbelwelle (8), wird der Hubzapfen eine lineare oder ellipsenförmige Bewegung zwischen zwei Totpunkten abfahren. Durch Vor- oder Rückwärtsdrehen der Doppelschieberführungseinheit im Maschinengehäuse wird der Bewegungsablauf am Hubzapfen gegenüber dem Kolbenhub verschoben, und der Kolben (6) erreicht seine maximalen Totpunkte nicht mehr. Mit dieser Verdrehung der Doppelschieberführungseinheit ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Verdichtung in einer Kolbenmaschine praktisch unabhängig von der Kurbelbewegung bis zur Kolbenabschaltung zu verändern.The invention relates to a piston engine with variable compression under load with simultaneous reduction of the moving masses and the moments of inertia. The variable compression is achieved by the crankshaft (8) is complemented by a rotatably mounted in the housing double slide straight guide (1), as it is known for example by ellipsographers. The crankpin is mounted in the slide center or near the slide center. Now rotates the crankshaft (8), the crank pin will move a linear or elliptical motion between two dead centers. By forward or backward rotation of the double slide guide unit in the machine housing, the movement is displaced on the crank pin relative to the piston stroke, and the piston (6) no longer reaches its maximum dead points. With this rotation of the double slide guide unit results in a simple way to change the compression in a piston engine practically independent of the crank movement to the piston stop.

Description

Technisches Gebiet:Technical area:

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine mit einer linearen oder ellipsenförmigen Hubbewegung. Der heute übliche radial kreisende Kurbelzapfen wird durch ein Steuerungsprinzip mit Schiebern ersetzt, sodass der Hubzapfen bei einer Umdrehung der Kurbelwelle eine lineare oder elliptische Form zwischen den Totpunkten abfährt. Ergänzt man ein solches Steuerungsprinzip durch die Möglichkeit, die Schieberführungen im Maschinengehäuse zu verdrehen, kann die Verdichtung in den Arbeitsräumen beliebig bis zur Kolbenabschaltung verändert werden. The invention relates to a piston engine with a linear or elliptical stroke movement. The today usual radial circular crank pin is replaced by a control principle with sliders, so that the crank pin moves in a revolution of the crankshaft a linear or elliptical shape between the dead centers. If such a control principle is supplemented by the possibility of turning the slide guides in the machine housing, the compression in the work spaces can be changed as required until the piston is switched off.

Stand der Technik:State of the art:

[0002] Bekannte Kolbenmaschinen mit einer variablen Verdichtung haben im Vergleich zur vorliegenden Erfindung meist den Nachteil, dass die beweglichen Massen und die Trägheitsmomente zunehmen, oder Zahnräder im Bewegungsablauf benötigt werden. Known piston engines with a variable compression compared to the present invention usually have the disadvantage that the moving masses and the moments of inertia increase, or gears are required in the movement.

[0003] Solche Systeme beruhen beispielsweise auf einer variablen Pleuellänge oder einer Absenkung der Kurbelwelle. Eine weniger bekannte Möglichkeit nutzt das Verdrehen einer Hypozykloiden-Geradführung im Gehäuse. Dies wird im Patent WO 00 1997 016 625 A1 beschrieben. Unsere Erfindung beruht auf einem ähnlichen Grundprinzip, allerdings wird die Hypozykloiden-Geradführung durch eine Doppelschieber-Geradführung ersetzt, und für die variable Verdichtung wird anstelle des Hohlrades die Doppelschieberführung verdreht. Such systems are based for example on a variable connecting rod length or a lowering of the crankshaft. A lesser known option utilizes twisting a hypocycloid linear guide in the housing. This is described in patent WO 00 1997 016 625 A1. Our invention is based on a similar basic principle, however, the hypocycloid linear guide is replaced by a double slider straight guide, and for the variable compression, the double slide guide is rotated instead of the ring gear.

Darstellung der Erfindung:Presentation of the invention:

[0004] Die Erfindung verfolgt das Ziel, eine variable Verdichtung in den Arbeitsräumen oder eine Kolbenabschaltung unter Last zu erlauben, dabei können alle bekannten Maschinenanordnungen, wie Reihen-, V-, Boxer- oder Kurbelschleifenmaschinen, damit ausgerüstet werden. Im Weiteren soll es möglich sein, alle Arbeitsräume einer Maschine oder nur einen Teil der Arbeitsräume mit einer variablen Verdichtung oder einer Kolbenabschaltung auszustatten. Man kann also, wie dies heute beispielsweise bei der Ventilabschaltung bereits gemacht wird, nicht nur die Ventile ruhigstellen, sondern auch die Kolben mit den zugehörigen Pleueln oder Kurbelschlaufen. Damit bietet die Erfindung den wesentlichen Vorteil, Maschinen bauen zu können, die dank der variablen Verdichtung in beliebigen Arbeitsräumen über einen wesentlich grösseren Leistungs- und Drehzahlbereich optimal betrieben werden können. The invention aims to allow a variable compression in the workrooms or a piston shutdown under load, while all known machine arrangements, such as series, V, boxer or crank grinding machines, are equipped with it. In addition, it should be possible to equip all working spaces of a machine or only part of the work spaces with a variable compression or a piston shutdown. So you can, as it is done today, for example, the valve shutdown, not only quiet the valves, but also the piston with the associated connecting rods or crank loops. Thus, the invention provides the significant advantage of being able to build machines that can be operated optimally thanks to the variable compression in any workspaces over a much larger power and speed range.

[0005] Interessant kann ein solches System auch in Zusammenhang mit den heute aufkommenden Wärmemaschinen zur Stromerzeugung sein, die einen linearen Doppelzylinder mit Magnetspulen nutzen, welcher durch ein Magnetfeld gedrückt wird. Nutzt man hier eine solche variable Verdichtung, müsste man die schweren Spulen nicht mehr hin und her beschleunigen, sondern man kann die Spulen radial betreiben und so einen höheren Wirkungsgrad generieren. Interestingly, such a system can also be in connection with the emerging today heat engines for power generation, which use a linear double cylinder with magnetic coils, which is pressed by a magnetic field. If you use such a variable compression, you would not have to accelerate the heavy coils back and forth, but you can operate the coils radially and thus generate a higher efficiency.

Aufzählung der Zeichnungen:List of drawings:

[0006] Die Erfindung wird anhand einer Einzylindermaschine mit variabler Verdichtung zeichnerisch dargestellt. Die Fig. 1 zeigt eine systematische Darstellung einer Einzylindermaschine mit variabler Verdichtung unter Last ohne Zylinder in der Grundstellung bei mittlerer Kolbenstellung. Die im Gehäuse drehbargelagerte Doppelschieber-Geradführung oder Doppelschieberführung 1 ist dabei so ausgerichtet, dass der Kolbenhub seine maximalen Totpunkte erreicht. Die beiden Schieber 2, welche in den Schieberführungen laufen, sind durch die Schieberverbindungsstange 3 und den Schieberzapfen 11 miteinander verbunden. Auf der Schieberverbindungsstange 3 ist auch der Hubzapfen 4 fixiert und auf diesem Hubzapfen 4 lagert die Pleuelstange 5 mit dem zugehörigen Kolben 6. Der Hubzapfen 4 ist über die Hubzapfenwange 7 gelenkig mit dem Kurbeltrieb 8 verbunden. Im Weiteren erkennt man die Verdreheinrichtung mit Schneckengetriebe 9 der Doppelschieberführung 1, welche für die variable Verdichtung benötigt wird. The invention is illustrated by a single-cylinder engine with variable compression drawing. Fig. 1 shows a systematic representation of a single-cylinder engine with variable compression under load without cylinder in the normal position at medium piston position. The rotatably mounted in the housing double slide straight guide or double slide guide 1 is aligned so that the piston stroke reaches its maximum dead centers. The two slides 2, which run in the slide guides are connected by the slide connecting rod 3 and the slide pin 11 with each other. On the slide connecting rod 3 and the crank pin 4 is fixed and on this crank pin 4, the connecting rod 5 superimposed with the associated piston 6. The crank pin 4 is connected via the Hubzapfenwange 7 hingedly connected to the crank mechanism 8. In addition, one recognizes the twisting device with worm gear 9 of the double slide guide 1, which is required for the variable compression.

[0007] Die Fig. 2 bis 7 zeigen dieselbe Darstellung ohne Kurbeltrieb und Schieber dafür mit angeschnittenem Zylinder 10 in verschiedenen Kolbenstellungen. Dabei zeigen die Fig. 2 , 4 und 6 die Einzylindermaschine in der Grundstellung. Die Fig. 3 , 5 und 7 zeigen die Maschine nicht mehr in der Grundstellung, der Kolben 5 erreicht hier die oberen und unteren maximalen Totpunkte nicht mehr. Mit dem Verdrehen der Doppelschieberführung 1 über den Schneckentrieb 9 wurde die Grundstellung verlassen, sodass im Arbeitsraum die maximale Verdichtung nicht mehr erreicht wird, dieser Unterschied ist mit Delta h in Fig. 3 eingezeichnet. 2 to 7 show the same illustration without crank mechanism and slider for it with truncated cylinder 10 in different piston positions. 2, 4 and 6, the single-cylinder engine in the basic position. FIGS. 3, 5 and 7 no longer show the machine in the basic position, the piston 5 no longer reaches the upper and lower maximum dead centers. With the rotation of the double slide guide 1 via the worm drive 9, the basic position was left, so that the maximum compaction is no longer reached in the working space, this difference is shown with delta h in Fig. 3.

Ausführung der Erfindung:Embodiment of the invention:

[0008] Das Prinzip der Doppelschieber-Geradführung ist beispielsweise von Ellipsographen bekannt. Grundsätzlich beruht dieses System auf einer Verbindungsstange zwischen zwei Schiebern, welche normalerweise in geraden, orthogonal angeordneten Führungen laufen. Den Mittelpunkt der Schieberverbindungsstange kann man mit einem radial kreisenden Kurbeltrieb verbinden. Dreht man die Kurbel, wird sich die Verbindungsstange dank der Doppelschieberführung in entgegengesetzter Richtung zur Kurbel abdrehen. Pro Kurbelumdrehung wird die Verbindungsstange mit den Schiebern ebenfalls eine Umdrehung in entgegengesetzter Richtung zum Kurbeltrieb machen. Setzt man nun in derselben Achse oder Verlängerung, wie die Schieberzentren sind, Hubzapfen auf die Schieberverbindungsstange, dann entspricht der Bewegungsablauf, der am oder an den Hubzapfen erreicht wird, genau dem Bewegungsablauf einer Hypozykloiden-Geradführung. Bringt man mindestens einen Hubzapfen ausserhalb dieser Schieberzentren an, wird der oder die Hubzapfen beim Abdrehen eine elliptische Bahn abfahren. The principle of the double slider linear guide is known for example from ellipsographers. Basically, this system is based on a connecting rod between two sliders, which normally run in straight, orthogonally arranged guides. The center of the slide connecting rod can be connected to a radially rotating crank mechanism. Turning the crank, the connecting rod will turn off due to the double slide guide in the opposite direction to the crank. For each revolution of the crank, the connecting rod with the slides will also make one revolution in the opposite direction to the crank mechanism. If now in the same axis or extension, as the slide centers, crank pins on the slide connecting rod, then corresponds to the movement, which is achieved on or at the crank pin, exactly the movement of a hypocycloid straight line. If you bring at least one crank pin outside of these slide centers, or the crank pin when turning off an elliptical path.

[0009] Anstelle der Schieberverbindungsstange kann man die beiden Schieber auch mittels einer Scheibe verbinden. Diese Scheibe nennen wir in Zukunft Schieberverbindungsscheibe. Diese Schieberverbindungsscheibe kann dann entweder in einer zentral gelagerten grösseren Scheibe oder einem Kurbelzapfen dank der Schieberführung abdrehen. Will man eine V-Maschine bauen, so können mit einer Führungseinheit zwei Hubzapfen gesteuert werden. Dabei besteht die Möglichkeit, die Führungseinheit zentral zwischen zwei Schieberverbindungsstangen oder -Verbindungsscheiben, welche mit den Schieberbolzen verbunden sind, anzuordnen. Die Hubzapfen können dabei gleichzeitig die Verlängerung der Schieberbolzen sein; dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob die Hubzapfen zwischen der Führungseinheit und den Schieberverbindungsstangen oder den Schieberverbindungsscheiben angebracht werden oder ausserhalb der Verbindung. Instead of the slide connecting rod you can connect the two slides by means of a disc. This disc will be called a slide connection disc in the future. This slide connection disc can then turn off either in a centrally mounted larger disc or a crank pin thanks to the slider guide. If you want to build a V-machine, so two crank pins can be controlled with a guide unit. In this case, it is possible to arrange the guide unit centrally between two slide connecting rods or connecting disks which are connected to the slide bolts. The crank pin can simultaneously be the extension of the slide pin; it basically does not matter whether the crank pins between the guide unit and the slide connecting rods or the slide connection discs are attached or outside the connection.

[0010] Setzt man dagegen die Verbindung ins Zentrum, so ist mit der Wahl einer Schieberverbindungsscheibe ebenfalls eine günstige Maschinenanordnung möglich: man bringt einfach die Schieberbolzen beidseitig an und ordnet die beiden Schieberführungen beidseitig der Schieberverbindungsscheibe an. Wiederum ist es möglich, die Hubzapfen zwischen der Schieberverbindungsscheibe und den Schieberführungen anzuordnen, oder man setzt die Schieberführungen direkt neben die Schieberverbindungsscheibe und die Hubzapfen ausserhalb der Schieberführungen. Ordnet man auf einer Schiebereinheit zwei Hubzapfen an, können sämtliche Bankwinkel zwischen 0 und 90° erreicht werden, und man kann auch unterschiedliche Bewegungsabläufe an den beiden Hubzapfen abfahren. So ist es möglich, mit einer Schiebereinheit einen Kolben oder einen Doppelkolben linear anzusteuern und den anderen Kolben oder Doppelkolben mit einem elliptischen Bewegungsablauf am Hubzapfen. If, however, the connection to the center, so with the choice of a slide connection disc also a cheap machine arrangement is possible: just put the slide pin on both sides and assigns the two slide guides on both sides of the slide connection disc. Again, it is possible to arrange the Hubzapfen between the slide connection disc and the slide guides, or you put the slide guides directly next to the slide connection disc and the crank pins outside the slide guides. If two crank pins are arranged on a slide unit, all bank angles between 0 and 90 ° can be achieved, and one can also run different movements on the two crank pins. Thus, it is possible to control a piston or a double piston linearly with one slide unit and the other piston or double piston with an elliptical movement on the crank pin.

[0011] Will man einen möglichst ruhigen Lauf der Maschine erreichen, so macht es Sinn, die Hubbewegung am Hubzapfen und die Schieberführung parallel zu führen. Diese Maschinenstellung nennen wir in Zukunft Grundstellung. In dieser Grundstellung werden die maximalen oberen und unteren Totpunkte erreicht und damit auch der grösste Kolbenhub. If you want to achieve the smoothest possible running of the machine, so it makes sense to perform the stroke on the crank pin and the slider guide in parallel. We call this machine position the basic position in the future. In this basic position, the maximum upper and lower dead centers are reached and thus also the largest piston stroke.

[0012] Für eine variable Verdichtung oder eine Kolbenabschaltung der Maschine muss nun die Doppelschieberführung zusätzlich im Maschinengehäuse drehbar gelagert werden. Denn mit dem Vor- oder Rückwärtsdrehen der Doppelschieberführung, wird die Grundstellung verlassen und verringert sich der Kolbenhub oder anders gesagt: die Verdichtung in den Arbeitsräumen sinkt. Die Steuerung der Doppelschieberführung kann mit einem Schneckengetriebe, welches das Gehäuse und die Doppelschieberführung verbindet, gesteuert werden und so den definierten linearen oder elliptischen Bewegungsablauf am Hubzapfen gegenüber der Grundstellung verdrehen. Verdreht man die Doppelschieberführung 90° gegenüber der Grundstellung, wird der Hubzapfen eine zu den Zylindern orthogonale Bewegung abfahren, damit sinkt der Kolbenhub gegen Null. Verwendet man bei einer linearen Hubzapfenbewegung zur Kraftübertragung anstelle eines Pleuels eine Kurbelschlaufe, kann der Kolbenhub unter Last zu 100% abgeschaltet werden. Benötigt man nur eine variable Verdichtung und keine Kolbenabschaltung, kann bei einer Kurbelschlaufenmaschine die Grösse (Breite) der Kurbelschleife massgeblich verringert werden, sodass die Kurbelschlaufe nur der gewünschten Variation der Verdichtung und dem gewünschten Bewegungsablauf am Hubzapfen angepasst werden muss. Mit dieser Verringerung der Kurbelschlaufengrösse und der generell möglichen Verringerung der Kolbenhöhe und den weiteren Gewichtseinsparungen durch die fehlenden Lager zwischen Kolben und Pleuelstange sinkt das Gewicht der linear zu beschleunigenden Maschinenteile einer Kurbelschlaufenmaschine gegenüber einer Kolbenmaschine mit Pleueln drastisch. Im Weiteren bietet sich bei Kurbelschlaufenmaschinen auch die Nutzung der Kolbenunterseite als Arbeitsraum an. For a variable compression or a piston shutdown of the machine, the double slide guide must now also be rotatably mounted in the machine housing. Because with the forward or reverse rotation of the double slide guide, the basic position is left and reduces the piston stroke or in other words: the compression in the workrooms decreases. The control of the double slide guide can be controlled with a worm gear, which connects the housing and the double slide guide, and thus rotate the defined linear or elliptical motion sequence on the crank pin relative to the basic position. If the double slide guide is turned 90 ° with respect to the basic position, the crankpin will move off a movement orthogonal to the cylinders, causing the piston stroke to drop to zero. If, in a linear Hubzapfenbewegung for power transmission instead of a connecting rod, a crank loop, the piston stroke can be switched off under load to 100%. If only a variable compression and no piston deactivation is required, the size (width) of the crank loop can be significantly reduced in a crank loop machine, so that the crank loop only has to be adapted to the desired variation of the compression and the desired movement sequence on the crank pin. With this reduction in the size of the crank and the generally possible reduction in the piston height and the further weight savings due to the lack of bearings between the piston and the connecting rod, the weight of the linearly accelerating machine parts of a crank-type machine drastically decreases compared to a piston machine with connecting rods. Furthermore, in the case of crank loops machines, the use of the underside of the piston as a working space is also suitable.

[0013] Geht man noch einen Schritt weiter und dreht die Doppelschieberführung gegenüber der Grundstellung 180°, kann eine Drehrichtungsänderung der Maschine erreicht werden. Im Weiteren kann man mit dem Verdrehen der Schieberführung die Totpunkte vor oder hinter den Zündpunkt legen und so die Zündung zum Beispiel bei geringer Drehzahl hinter den Zündpunkt legen und bei hoher Drehzahl vor den Totpunkt, es sind also mit solchen Maschinen neben der variablen Verdichtung auch Möglichkeiten gegeben, den Zündzeitpunkt optimal auf den Bewegungsablauf am Kolben abzugleichen. Going one step further and turns the double slide guide relative to the basic position 180 °, a change of direction of rotation of the machine can be achieved. Furthermore, you can put the dead center before or behind the ignition point with the rotation of the slide guide and so put the ignition, for example, at low speed behind the ignition point and at high speed before the dead center, so it is with such machines in addition to the variable compression also opportunities given to optimally match the ignition timing on the movement of the piston.

Claims

1. work machine with variable compression in the work spaces, which uses a double slide straight guide (1) for converting a rotation into a linear movement of at least one crank pin (4), to be on a slide connecting rod (3) or a slide connecting disc at least two slides ( 2) and at least one crank pin (4) fixed, the center of the connecting rod (3) or slide connection disc is connected to a central crank mechanism (8), characterized in that the centrally crossing slide guides are rotatably mounted in the machine housing, with the rotation of the slide guide Now the movement can be moved on the crank pin relative to the housing and the compression in the work spaces can be varied as desired to the piston shutdown.

2. Work machine with variable compression according to claim one, characterized in that, if the slide center does not coincide with the Hubzapfenzentrum, elliptical movements on the crank pin (4) can be traversed.

3. Work machine with variable compression according to claim one and two, characterized in that in an internal combustion engine, the ignition timing can be placed in front of or behind the top dead center.