DE10315833A1

DE10315833A1 - Piston engine to operate for thermal engines and pumps has working areas and partial pistons per working area run at an angle to each other

Info

Publication number: DE10315833A1
Application number: DE2003115833
Authority: DE
Inventors: Rudolf Huttary; Eberhard Krayss
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-07
Filing date: 2003-04-07
Publication date: 2004-10-21

Abstract

Designed as integral components of individual partial pistons (2a-2d), slider crank drives (3) interlinked in a non-positive manner produce a shift in force. A frictional connection between crankshafts for a slider crank drive and drive or driven mechanism is produced according to a con-rod principle through a device incorporating all rigid shaft axes by means of in-phase cranks. An independent claim is also included for a four-stroke internal combustion engine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenmaschine mit einem oder mehreren Arbeitsräumen und zwei oder mehr in einem Winkel zueinander geführten Kolben (in der Folge als „Partialkolben" bezeichnet) je Arbeitsraum.The The invention relates to a reciprocating piston machine with one or more workrooms and two or more pistons at an angle to each other (hereinafter referred to as "partial piston") per work area.

Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, das Hubvolumen einer Hubkolbenmaschine für gasförmige Medien vorteilhaft auf mehrere leichte Partialkolben aufzuteilen, um erstens einen möglichst kurzen Hub je Partialkolben, zweitens eine vorteilhafte Arbeitsraumbildung, drittens eine kompakte Bauweise mit immanentem Massenausgleich und viertens auf systematischem Wege eine gleichförmigere Übertragung der Gaskräfte auf Kolben und Triebwerk zu erreichen.you the task is based on the stroke volume of a reciprocating piston machine for gaseous media to be divided advantageously over several light partial pistons, firstly one if possible short stroke per partial piston, secondly an advantageous working space formation, third, a compact design with intrinsic mass balance and fourth, a more uniform transmission of gas forces in a systematic way To reach pistons and engine.

Der Arbeitsraum der konventionellen Hubkolbenmaschine wird durch einen einzelnen Kolben mit kreisförmigem Querschnitt gebildet. Maschinen, die mehr als einen Kolben je Arbeitsraum aufweisen, sind an sich bekannt – beispielsweise als lineare Gegenkolbenmaschine von Junkers ( CH-494.909 ) oder als Kreisbogenmaschine ( US-3.602.203 , DE-4.201.127 ) mit doppelt wirkenden Kolben. Im Motorenbau ist man trotz der Vorteile beim Massenausgleich von Gegenkolbenanordnungen wieder abgekommen, weil der Gaswechsel speziell für den gefragten Viertaktbetrieb aufgrund fehlender Atmungsflächen schwierig zu lösen ist und auch weil die Zusammenführung der Kolbenkräfte gewisse Probleme aufwirft.The working area of the conventional reciprocating piston machine is formed by a single piston with a circular cross section. Machines that have more than one piston per work area are known per se - for example as a linear counter-piston machine from Junkers ( CH-494 909 ) or as a circular arc machine ( US 3,602,203 . DE-4201127 ) with double-acting pistons. In engine construction, despite the advantages of balancing counter-piston assemblies, there has been a change because the gas change is difficult to solve, especially for the four-stroke operation in question due to the lack of breathing surfaces, and also because the combination of the piston forces poses certain problems.

Auch Maschinen mit zwei oder mehr winklig zueinander geführten Partialkolben je Arbeitsraum sind bekannt. Das Patent US-5.477.818 (Ferrari) beschreibt einen aus zwei spiegelsymmetrischen V-Anordnungen aufgebauten Verbrennungsmotor, bei dem vier Kolben zwei Brennräume bedienen. Die Anmeldung JP-58.044.230 zeigt eine Sternanordnung mit mittigem Brennraum und außen umlaufender Kurbelschleife.Machines with two or more partial pistons guided at an angle to one another per work space are also known. The patent US 5,477,818 (Ferrari) describes an internal combustion engine made up of two mirror-symmetrical V-arrangements, in which four pistons serve two combustion chambers. The registration JP-58044230 shows a star arrangement with a central combustion chamber and an external crank loop.

Aus den beiden zuletzt genannten Anmeldungen werden – mit unterschiedlicher Intention – die Vorteile von Mehrkolbenentwürfen deutlich: Kurzhubigkeit, Drehfestigkeit, Annäherung eines kugelförmigen Brennraums, guter Massenausgleich. Aber auch die Nachteile: die Zusammenführung von Kurbelwellen – insbesondere gegenläufiger – über Zahnräder oder Kettentriebe gilt im Motorenbau als geräuschintensiv und verschleißträchtig. Eine außen umlaufende Kurbelschleife wirft hingegen beachtliche Probleme der Lagerung auf.Out The last two registrations - with different intentions - are the advantages of multi-piston designs clear: short stroke, torsional strength, approach of a spherical combustion chamber, good mass balance. But also the disadvantages: the merging of Crankshafts - in particular opposing - via gears or Chain drives are considered to be noise-intensive and wear-prone in engine construction. A Outside revolving crank loop, however, poses considerable problems of Storage on.

Grundlegendes Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Triebwerk für eine Mehrkolbenmaschine, das die Kräfte mehrerer winklig versetzter Kolben bei kleinstem Bauraum und gegenüber herkömmlichen Designs verringerten Bewegungsmassen zusammenführt und darüber hinaus alle Voraussetzungen für einen vollständigen Massenausgleich aller oszillierenden und rotierenden Massen erfüllt. Es ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftumsetzung über miteinander kraftschlüssig gekoppelte Kurbelschleifentriebe (2, 3, 4, 5, 7, 8, 10) erfolgt, wobei die Kurbelschleifen (3) als integrale Bestandteile einzelner Partialkolben (2) ausgebildet sind (Anspruch 1; 1a bis 1d).The basic aim of the present invention is therefore an engine for a multi-piston machine that combines the forces of several angularly displaced pistons with the smallest installation space and movement masses that are reduced compared to conventional designs, and also fulfills all requirements for a complete mass balance of all oscillating and rotating masses. It is characterized in that the power conversion via crank lock drives (frictionally coupled to one another) ( 2 . 3 . 4 . 5 . 7 . 8th . 10 ) takes place, the crank loops ( 3 ) as integral parts of individual partial pistons ( 2 ) are trained (claim 1; 1a to 1d ).

Die Integration der Kurbelschleife in den Partialkolben bietet eine Reihe von entscheidenden Vorteilen. Sie ermöglicht vollständig symmetrische doppeltwirkende Kolben – ohne Stangendurchführung in einem der Arbeitsräume. Des weiteren verkürzt sie den Kraftweg zwischen Kolbenboden und Kurbelzapfen auf das absolute Minimum, gleichbedeutend mit einer Optimierung nach Steifigkeit und Gewicht. Ein gegebener Kraftfluss kann daher durch eine sehr filigrane und gegenüber herkömmlichen Bauformen deutlich leichtere Kolbenstruktur erreicht werden. Das Eigenschwingverhalten des Kraftwegs sowie der Kurbelschleife spielt praktisch keine Rolle mehr, da ein beliebig starrer Verbund von Kurbelschleifenbahn und Kolbenboden möglich ist. Um eine Montage der Welle zu ermöglichen, kann der Kolben beispielsweise an der Kurbelschleife in zwei Hälften geteilt und durch Stahlflanken, die die Schleife seitlich schließen und aussteifen, verbunden sein.The Integration of the crank loop in the partial piston offers one A number of decisive advantages. It enables completely symmetrical double acting pistons - without Lead-through in one of the work rooms. Furthermore shortened the force path between the piston crown and crank pin to the absolute Minimum, synonymous with optimization based on rigidity and weight. A given flow of power can therefore be very filigree and opposite usual Designs significantly lighter piston structure can be achieved. The Natural vibration behavior of the force path and the crank loop plays practically no longer a role, since an arbitrarily rigid combination of Crank loop track and piston crown is possible. To an assembly to allow the wave For example, the piston can be split in half on the crank loop and by steel flanks that close the loop on the side and brace, be connected.

Der in den Kolben verlagerte Kurbelraum hat verschiedene Auswirkungen auf die Schmierung und Kühlung. So können Kolben und Kurbeltrieb über eine Wellenbohrung gut von innen her geschmiert und durch direktes Anspritzen des Kolbenbodens, beispielsweise über Bohrungen im Ausgleichsgewicht 10, auch gekühlt werden. Die vollständige Kapselung des Kurbelraums innerhalb der Laufbuchse ebnet den Weg für eine Getrenntschmierung sowie den Einsatz ölfreier Schmierstoffe, beispielsweise einem Glykol/Wasser-Gemisch.The crankcase shifted into the piston has various effects on the lubrication and cooling. For example, pistons and crank mechanisms can be well lubricated from the inside via a shaft bore and by direct injection molding onto the piston crown, for example through holes in the counterweight 10 , can also be cooled. The complete encapsulation of the crankcase within the liner paves the way for separate lubrication and the use of oil-free lubricants, such as a glycol / water mixture.

Obwohl ein kreisförmiger Kolbenquerschnitt (1a) prinzipiell keine Nachteile für die Unterbringung von Kurbelschleife (3), Kurbelkröpfung (4) und Ausgleichsgewicht (10) für die Kurbel darstellt, kann entlang Anspruch 3 auch eine Kolbenform, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Bildung des Arbeitsraums relevante Querschnitt der Partialkolben näherungsweise rechteckig ist (1b), Vorteile für die Arbeitsraumbildung und vor allem auch für die Montage bieten – bei allerdings steigendem Dichtungsaufwand. So ermöglicht beispielsweise eine aus einzelnen Flächenstücken zusammengesetzte, „gebaute" Laufbuchse eine bequeme schichtorientierte Montage aus einfach herzustellenden Teilen.Although a circular piston cross section ( 1a ) in principle no disadvantages for the accommodation of crank loops ( 3 ), Crank crank ( 4 ) and balance weight ( 10 ) for the crank, can also have a piston shape according to claim 3, characterized in that the cross section of the partial pistons relevant for the formation of the working space is approximately rectangular ( 1b ), Offer advantages for workspace formation and above all for assembly - but with increasing sealing efforts. For example, a "built" liner composed of individual surface pieces enables a comfortable shift-oriented Assembly from easily manufactured parts.

Das durch Anspruch 1 beschriebene Triebwerk bildet erfindungsgemäß die Grundlage für sehr leichte und kompakte Mehrkolbenarchitekturen, die bei ruhigstem Lauf je nach Anwendungszweck auf hohe spezifische Leistungen und/oder hohe thermodynamische Wirkungsgrade ausgerichtet sind.The Engine described by claim 1 forms the basis according to the invention for very light and compact multi-piston architectures that ever run smoothly depending on the application to high specific performance and / or high thermodynamic efficiencies are aligned.

Es ist üblich, den Kraftschluss zwischen mehreren Wellen über Stirnrad- oder Planetengetriebe herzustellen. Kurbelwellen von Wärmekraftmaschinen drehen dabei im Allgemeinen gegenläufig, da dies einen immanenten Ausgleich der Pleuel- und Kurbelmassen (vgl. Rhombentrieb) ermöglicht. In Anordnungen mit bidirektionalem Kraftfluss stellt allerdings das Zahnradspiel ein Problem dar. So führen die Torsionsschläge eines Viertaktverbrennungsmotors zu starker Geräuschentwicklung und mit zu schnellem Verschleiß. Da in Kurbelschleifentrieben aufgrund der fehlenden Pleuelmassen keine Massenkräfte 2. Ordnung auftreten, spielt bei mehrwelligen Kurbelschleifentrieben, wie sie von der Erfindung bevorzugt werden werden, der Drehsinn für den Massenausgleich nur insofern eine Rolle, als bei Gleichläufigkeit ein Ausgleich der Kurbelmassen erfolgen muss.It is common to establish the frictional connection between several shafts via spur gear or planetary gears. Crankshafts of heat engines generally turn in opposite directions, since this enables the connecting rod and crank masses to be balanced out (see rhomboid drive). In arrangements with bidirectional power flow, however, the gear play presents a problem. The torsional shocks of a four-stroke internal combustion engine lead to excessive noise and wear that is too fast. Since there are no mass forces in crank loop drives due to the lack of connecting rod masses 2 , Order occurs, with multi-shaft crank loop drives, as will be preferred by the invention, the sense of rotation for the mass balance only plays a role insofar as the crank masses have to be balanced.

Bei gleichem Drehsinn und mehr als zwei Kurbelachsen ist die Möglichkeit gegeben, entlang Anspruch 2 den Kraftschluss zwischen den Kurbelwellen der Kurbelschleifentriebe (7, K2) und dem An- bzw. Abtrieb (6) durch eine in sich starre, alle Wellenachsen (6, 7) mittels gleichphasiger Kurbeln umkreisende (K1) Vorrichtung (9) nach dem Schubstangenprinzip herzustellen (2) und die genannten Nachteile zu vermeiden. Als starre Vorrichtung eignet sich beispielsweise ein Ring oder eine Platte mit eingelassenen Kurbellagern. Die erforderlichen Kurbellager dürfen im Gegensatz zu Zahnrädern als spielfrei gelten. Durch mehr als zwei nicht auf einer Gerade liegenden Lagerpunkte, beispielsweise zwei Partialkurbelwellen und eine An-/Abtriebswelle, ist ein sicherer Anlauf (vgl. Anlasserbetrieb) der Anordnung über alle Phasenwinkel gewährleistet.With the same direction of rotation and more than two crank axes, there is the possibility, according to claim 2, of the frictional connection between the crankshafts of the crank loop drives ( 7 , K2) and the input and output ( 6 ) by a rigid, all shaft axes ( 6 . 7 ) device circling by means of in-phase cranks (K1) ( 9 ) to manufacture according to the push rod principle ( 2 ) and to avoid the disadvantages mentioned. A ring or a plate with embedded crank bearings is suitable, for example, as a rigid device. In contrast to gearwheels, the required crank bearings can be considered as free of play. With more than two bearing points not lying on a straight line, for example two partial crankshafts and one input / output shaft, a safe start-up (cf. starter operation) of the arrangement is guaranteed over all phase angles.

Prinzipiell kann bei vorhandenem Kraftschluss aber auch jede der Partialkolbenwellen als An-/Abtriebswelle fungieren. Mit Blick auf Mehrkupplungsgetriebe ohne Zugkraftunterbrechung bietet die erfindungsgemäße Anordnung daher gerade wegen der Verfügbarkeit mehrerer Abtriebswellen Vorteile. Im einfachsten Fall können die unterschiedlichen Übersetzungen in bekannter Weise direkt auf je eigene Wellen aufgekuppelt werden, was extrem schnelle und unkomplizierte Schaltvorgänge ohne spezifische Maßnahmen für die Synchronisation (Synchronringe, Klauen etc.) ermöglicht.in principle can also do any of the partial piston shafts if there is a positive connection act as input / output shaft. With a view to multi-clutch transmission The arrangement according to the invention offers without interruption in tractive force therefore precisely because of the availability multiple output shafts advantages. In the simplest case, they can different translations are coupled directly onto their own shafts in a known manner, what extremely fast and uncomplicated switching operations without specific measures for the Synchronization (synchronizer rings, claws etc.) enables.

Dem Einwand, dass die vielen Wellenlager des erfindungsgemäßen Aufbaus zusätzliche Lagerverluste verursachen, sei dadurch begegnet, dass das Triebwerk speziell für Anordnungen mit immanentem Massenausgleich eingesetzt werden kann, die keine weiteren Ausgleichsmaßnahmen mehr erfordern. Der vollständige Massenausgleich herkömmlicher Einzylinder- aber auch Mehrzylinder-Hubkolbenmaschinen erfordert hingegen bis zu vier mit mehrfacher Frequenz drehende Ausgleichswellen.the Objection that the many shaft bearings of the structure according to the invention additional Warehouse losses are countered by the fact that the engine especially for Arrangements with intrinsic mass balancing can be used no further compensatory measures require more. The complete one Mass balance more conventional Single-cylinder but also multi-cylinder reciprocating machines are required however, up to four balancer shafts rotating at multiple frequencies.

Der Kurbelschleifentrieb ist als Alternative zum Pleueltrieb bekannt. Trotz seiner besseren Eigenschaften hinsichtlich Massenausgleich und Kolbenführung hat er sich aber bei Verbrennungsmotoren bisher nicht gegen den Pleueltrieb durchsetzen können. Der Grund dafür ist wohl, dass die konstruktive Ausgestaltung des Kurbelschleifentriebs in Kolben, Kolbenstange und Kurbelschleife (vgl. bspw. DE-409919 ) in der Bilanz eine Verschlechterung darstellt, da zusätzliche Massen (Kurbelschleife), Lager (Gleitlager für Kolbenstange) und Bauräume (Bauhöhe und Platzbedarf für Kurbelschleife über den gesamten Hub) in Kauf genommen werden müssen. Die Notwendigkeit für die genannte Ausgestaltung beim Motorenbau ergibt sich, weil der Hub bei Maschinen mit nur einem Kolben je Brennraum den Kolbendurchmesser in der Regel aus Optimierungsgesichtspunkten grob annähert. Obwohl ein kürzerer Hub aus kinematischer Sicht vorteilhaft wäre, weil er die auftretenden Massenbeschleunigungen reduziert und damit höhere Drehzahlen bzw. Leistungsdichten ermöglicht, verschlechtert sich der thermodynamische Wirkungsgrad aufgrund der zunehmenden Wandwärmeverluste bei flacher werdendem Arbeitsraum. Stark unterquadratische Hübe findet man daher nur bei Rennmotoren, wo hohe Drehzahlen für höchste Leistungsdichten – und nicht unbedingt hohe Wirkungsgrade – gefordert sind.The crank loop drive is known as an alternative to the connecting rod drive. Despite its better properties in terms of mass balance and piston guidance, it has so far not been able to prevail against the connecting rod drive in internal combustion engines. The reason for this is probably that the structural design of the crank loop drive in the piston, piston rod and crank loop (cf. e.g. DE-409919 ) represents a deterioration in the balance sheet, since additional masses (crank loop), bearings (slide bearing for piston rod) and installation space (construction height and space requirement for crank loop over the entire stroke) have to be accepted. The need for the design mentioned in engine construction arises because the stroke in machines with only one piston per combustion chamber generally approximates the piston diameter from an optimization point of view. Although a shorter stroke would be advantageous from a kinematic point of view because it reduces the mass acceleration that occurs and thus enables higher speeds or power densities, the thermodynamic efficiency deteriorates due to the increasing wall heat losses as the working space becomes flatter. Strongly sub-square strokes can therefore only be found in racing engines, where high speeds are required for the highest power densities - and not necessarily high levels of efficiency.

Es ist bekannt, dass eine die Kugelform annähernde Brennraumkontur einerseits und große Hubräume andererseits den thermodynamischen Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren verbessern, weil beide Trends das Verhältnis Wandfläche-zu-Volumen und somit die Wandwärmeverluste reduzieren. Da herkömmliche Hubkolbenmaschinen mit nur einem Kolben je Arbeitsraum im oberen Totpunkt einen sandwichähnlichen Arbeitsraum ausbilden, lassen sich bessere Wandfläche-zu-Volumen-Verhältnisse im Wesentlichen durch zwei Maßnahmen erreichen: erstens durch einen längeren Hub, mit dem Nachteil höherer Massenbeschleunigungen aufgrund der vergleichsweise höheren mittleren Kolben- und Pleuelgeschwindigkeiten, und zweitens durch einen größeren Hubraum mit dem Nachteil größerer Kolben- und Pleuelmassen – es ist bekannt, dass Schiffsmotoren so höchste Wirkungsgrade erzielen. Beide Maßnahmen stehen tendenziell aber höheren Drehzahlen im Wege und erniedrigen damit die Leistungsdichte.It is known that a combustion chamber contour approximating the spherical shape on the one hand and large displacements on the other hand improve the thermodynamic efficiency of internal combustion engines because both trends reduce the ratio of wall area to volume and thus the wall heat losses. Since conventional reciprocating piston machines form a sandwich-like working space with only one piston per working space at top dead center, better wall area-to-volume ratios can essentially be achieved by two measures: firstly by a longer stroke, with the disadvantage of higher mass accelerations due to the comparatively higher average Piston and connecting rod speeds, and secondly due to a larger displacement with the disadvantage of larger piston and connecting rod masses - it is known that ship engines achieve the highest levels of efficiency. Both measures tend to stand in the way of higher speeds and lower them thus the power density.

Hubkolbenmaschinen mit mehreren Partialkolben je Arbeitsraum ermöglichen einerseits Anordnungen mit geringerem Hub-zu-Bohrung-Verhältnis je Kolben, da der Gesamthub auf die Kolben verteilt werden kann. Um, entlang Anspruch 1, die Kurbelschleife als integ ralen Bestandteil des Kolbens auszubilden, muss diese in der Zylinderbohrung Platz finden, was in der Praxis maximal ein Verhältnis von etwa 0,5 bis 0,6 ermöglicht (1). Zum anderen eröffnet die winklige Führung mehrerer Partialkolben gemäß dem Oberbegriff mehr Freiheit in der Arbeitsraumgestaltung, die sich insbesondere für eine verbesserte Annäherung der Kugelform verwenden lässt. Für Verbrennungsmotoren bieten sich unter dem zusätzlichen Gesichtspunkt eines guten Ausgleichs der oszillierenden Massen zwei grundsätzliche Mehrkolben-Architekturen an: Erstens, entlang Anspruch 4, eine Sternarchitektur, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei sternförmig in einer Ebene geführte Partialkolben eine am Sternpunkt gelegene, gemeinsame Brennkammer bedienen und sich die oszillierenden Massenkräfte aller Partialkolben zu jedem Zeitpunkt ausgleichen (4, 5a, 5b). Und zweitens, entlang Anspruch 5, eine Ringarchitektur, dadurch gekennzeichnet, dass vier doppeltwirkende Partialkolben (2a,..., 2d) in einer Ebene entlang der Seiten eines Vierecks in Laufbuchsen (1) so geführt werden, dass sich die Massenkräfte aller Partialkolben zu jedem Zeitpunkt ausgleichen, und vier an den Ecken des Vierecks gelegene Brennkammern (AR) von jeweils zwei Partialkolben so bedient werden, dass ein Viertaktbetrieb mit umlaufender Zündfolge erzielt wird (3).Reciprocating piston machines with several partial pistons per working space on the one hand enable arrangements with a lower stroke-to-bore ratio per piston, since the total stroke can be distributed among the pistons. In order, along with claim 1, to design the crank loop as an integral part of the piston, it must find space in the cylinder bore, which in practice allows a maximum ratio of about 0.5 to 0.6 ( 1 ). On the other hand, the angular guidance of several partial pistons according to the generic term opens up more freedom in the design of the work space, which can be used in particular for an improved approximation of the spherical shape. For internal combustion engines, there are two basic multi-piston architectures from the additional point of view of a good balance of the oscillating masses: first, along with claim 4, a star architecture, characterized in that at least three partial pistons guided in a star shape serve a common combustion chamber located at the star point and the oscillating mass forces of all partial pistons balance each other ( 4 . 5a . 5b ). And second, along claim 5, a ring architecture, characterized in that four double-acting partial pistons ( 2a , ..., 2d ) in a plane along the sides of a square in liners ( 1 ) are managed in such a way that the mass forces of all partial pistons equalize at any time, and four combustion chambers (AR) located at the corners of the quadrilateral are operated by two partial pistons each in such a way that four-cycle operation with rotating ignition sequence is achieved ( 3 ).

Beide Architekturen bieten einen vollständigen, immanenten Massenausgleich, ohne dass irgendwelche Ausgleichsgewichte für die Kolbenmassen erforderlich wären. (Der Beweis dafür leuchtet unmittelbar ein: Im Regelfall, das heißt bei gleichen Kolbenmassen, -winkeln und -wegen, ist die Kinematik der Ringanordnung achsensymmetrisch zu den Diagonalen und die der Sternanordnung punktsymmetrisch zum Sternpunkt.) Auch steht einem Kraftschluss nach dem Schubstangenprinzip entlang Anspruch 2 nichts im Wege. Die Ausgleichsgewichte für die rotierenden Kurbelmassen können problemlos im Kolben untergebracht werden.Both Architectures offer full, intrinsic mass balancing, without the need for any counterweights for the piston masses would. (The proof of that lights up immediately: As a rule, i.e. with the same piston mass, angles and paths, the kinematics of the ring arrangement is axisymmetric to the diagonals and that of the star arrangement point symmetrically to Star point.) There is also a frictional connection based on the push rod principle nothing in the way along claim 2. The balance weights for the rotating ones Crank masses can can be easily accommodated in the piston.

Beide Architekturen arbeiten mit einem stark unterquadratischen Partialhub und erreichen bei minimalem Kolbengewicht und geringsten Abmessungen eine bemerkenswert gute Stabilität gegen auftretende Kipp-, Beschleunigungs- und Gaskräfte. Ausgehend von einer durch den Ventiltrieb vorgegebenen Maximaldrehzahl erlauben sie daher aus kinematischen Gründen vergleichsweise große Hubräume, die den Wirkungsgrad verbessern und die zusätzlichen Reibverluste des Mehrkolbendesigns mehr als wettmachen.Both Architectures work with a strongly sub-square partial stroke and achieve with minimal piston weight and smallest dimensions remarkably good stability against tipping, acceleration and gas forces. outgoing allow from a maximum speed predetermined by the valve train therefore for kinematic reasons comparatively large displacements, which improve the efficiency and the additional friction losses of the multi-piston design more than make up for it.

Die Ringarchitektur steht für höchste Leistungsdichten und eignet sich insbesondere für Viertaktverbrennungsmaschinen, die als Otto- oder Dieselmotoren ausgelegt sind. Die vier Brennkammern weisen große Atmungsflächen auf; die Kolben sind erfindungsgemäß doppeltwirkend und erlauben bei entsprechender Formgebung trotz höchster Verdichtung eine vorteilhafte Brennraumform. Einer Aneinanderreihung mehrerer Ringe für höchste Leistungen steht nichts im Wege, da die Ringe insbesondere keine Massenmomente entwickeln. Bei Verwendung eines rechteckigen Kolbenquerschnitts entlang Anspruch 3 ist eine Überhöhung der Kolben in Achsrichtung der Wellen möglich. Unter Inkaufnahme von wenig zusätzlicher Kolbenmasse lässt sich so bei unterverändertem Hub eine erhebliche Hubraumvergrößerung bei kompaktestem Motordesign erzielen. Obwohl der Hub in diesem Fall extrem unterquadratisch wird, bleibt die günstige Brennraumform erhalten. Spülung, Einspritzung und/oder erforderlichenfalls Zündung lassen sich durch Reihenanordnung im Kopfbereich beliebig aufspreizen und für den Teillast- und/oder Magerbetrieb gezielt abschalten.The Ring architecture stands for highest Power densities and is particularly suitable for four-stroke internal combustion engines, which are designed as gasoline or diesel engines. The four combustion chambers point size breathing space on; the pistons are double-acting according to the invention and allow an appropriate shape despite the highest compression an advantageous Combustion chamber shape. A series of rings for highest performance stands nothing in the way, since the rings in particular do not develop mass moments. When using a rectangular piston cross section along claim 3 is an exaggeration of the Pistons possible in the axial direction of the shafts. Accepting little extra Piston mass leaves so with under-changed Stroke a significant increase in displacement achieve the most compact motor design. Although the hub in this case becomes extremely sub-square, the favorable combustion chamber shape is retained. Flushing, injection and / or ignition if necessary can be expanded as required by arranging rows in the head area and for specifically switch off part-load and / or lean operation.

Die Sternarchitektur bietet alle Voraussetzungen für einen Zweitaktmotor mit Getrenntschmierung und Gleichstromspülung sowie für einen aufgeladenen Viertaktmotor. In beiden Ausführungen können die Gegenseiten der Partialkolben als Ladekolben fungieren. Bei Viertaktmotoren wird so eine mechanische 2:1-Aufladung erzielt. Ventil-, Zünd- und Einspritzvorrichtungen lassen sich, soweit erforderlich, innerhalb der OT-Kontur (OTK) an den beiden gegenüberliegenden Kopfflächen anbringen, mit Vorteilen, die im Zusammenhang mit Anspruch 10 erörtert werden.The Star architecture offers all the prerequisites for a two-stroke engine with separate lubrication and DC flushing also for a charged four-stroke engine. In both versions, the opposite sides of the partial piston act as a loading piston. With four-stroke engines, this becomes a mechanical one Achieved 2: 1 charging. Valve, ignition and injection devices If necessary, can be within the OT contour (OTK) on the two opposite head surfaces attach, with benefits that are discussed in connection with claim 10.

Ein eigener, von der konventionellen Hubkolbenmaschine etwas weiter weg führender, separater Lösungsstrang der vorliegenden Erfindung ist bei gleichem Oberbegriff (Anspruch 6) und optional gleichem Triebwerk (Anspruch 7) eine Mehrkolbenanordnung mit deutlich reduzierter Kolben- und Triebwerksbelastung sowie verbesserten Bedingungen für thermodynamische Prozesse, die insbesondere für Wärmekraftmaschinen, aber auch für Hochdruckpumpen oder Feststoffpressen Vorteile bringt. Sie ist – entlang Anspruch 6 – dadurch gekennzeichnet, dass durch eine geeignete Formgebung und Führung der Partialkolben eine Änderung der wirksamen Kolbenfläche in Abhängigkeit vom Hub erzielt wird. Unter „wirksamer Kolbenfläche" ist hier die Summe der Flächenteile der Partialkolben zu verstehen, die den Arbeitsraum bei gegebenem Phasenwinkel nach außen hin abgrenzen – also mit dem Arbeitsmedium sowie dem davon ausgeübten Druck beaufschlagt sind.On own, a bit further from the conventional reciprocating piston machine leading away, separate thread the present invention is in the same preamble (claim 6) and optionally the same engine (claim 7) a multi-piston arrangement with significantly reduced piston and engine loads as well as improved Conditions for thermodynamic Processes that are particularly important for heat engines, but also for High pressure pumps or solid presses bring advantages. It is - along Claim 6 - thereby characterized by a suitable shape and guidance of the Partial piston a change the effective piston area dependent on is achieved by the hub. Under "more effective Piston area "is the sum here of the surface parts the partial piston to understand the given working space Phase angle to the outside delimit - so with the working medium and the pressure exerted by it.

Der als eigenständiger Hauptanspruch auftretende Anspruch 6 lässt an sich noch nicht erkennen, ob eine „geeignete Formgebung und Führung der Partialkolben", die zu einer Änderung der wirksamen Kolbenfläche führt, konkret existiert. Tatsächlich liefert die Geometrie der Dreiecke in Ebene und Raum aber eine Vielfalt von Lösungen. Deutlich wird dies durch die beiden, in den Ansprüchen 8 und 9 über geometrische Grundkörper be schriebenen speziellen Ausführungsarten (6 und 8), die sich somit auch als Ausgangspunkte für ein Verständnis des allgemeineren Prinzips gemäß Anspruch 6 anbieten. Eine allgemeinere Lösung liefern Anordnungen aus linear geführten Körpern, die von der Grundform her Prismen oder Pyramiden bilden, sich kompakt anordnen lassen, den Formschluss über eine feste Bewegungsstrecke (Hub) wahren und dabei gegebenenfalls zusammen mit festen Wandanteilen einen Arbeitsraum variabel und fluiddicht begrenzen. Diese Lösung umfasst neben ebenen Anordnungen aus Prismen gleicher Höhe, die verschieblich zwischen parallelen Wandungen angeordnet sind, wie sie durch die Ansprüche 6 und 8 beschrieben sind, auch räumliche Anordnungen. So liefert die Zerlegung der beiden regelmäßigen Hexaeder am Mittelpunkt in acht drei- bzw. vierseitige Pyramiden eine Anordnung, die in der geometrischen Mitte einen variablen Arbeitsraum ausbilden kann. Der Arbeitsraum ist seinerseits hexaederförmig, mit der jeweils adjungierten Form. In beiden Fällen bilden sechs Pyramiden mit je einer Seitenfläche die Wandflächen des Arbeitsraums. Die übrigen zwei Pyramiden haben mit ihren Spitzen eine reine Dichtungsfunktion an zwei raumdiagonalen Ecken des Arbeitsraums.The as an independent main claim as of claim 6, it cannot yet be recognized whether a "suitable shaping and guiding of the partial pistons", which leads to a change in the effective piston area, actually exists. In fact, the geometry of the triangles in plane and space provides a variety of solutions. Clearly is this by the two, be described in claims 8 and 9 about geometric basic body be special embodiments ( 6 and 8th ), which thus also serve as starting points for an understanding of the more general principle according to claim 6. A more general solution is provided by arrangements made of linearly guided bodies, which form prisms or pyramids in terms of their basic shape, can be arranged compactly, maintain positive locking over a fixed movement distance (stroke) and, if necessary, limit a work space variably and fluid-tight together with fixed wall parts. In addition to flat arrangements of prisms of the same height, which are arranged displaceably between parallel walls, as described by claims 6 and 8, this solution also includes spatial arrangements. The breakdown of the two regular hexahedra at the center into eight three- or four-sided pyramids provides an arrangement that can form a variable working space in the geometric center. The work area is itself hexahedral, with the adjoint shape in each case. In both cases, six pyramids, each with a side surface, form the wall surfaces of the work area. The tips of the other two pyramids have a purely sealing function at two diagonally diagonal corners of the work area.

Während sich die wirksame Kolbenfläche bei ebenen Anordnungen (vgl. Ansprüche 8 und 9) in linearer Abhängigkeit mit dem Hub verändert (9a, Kurve 3), verändert sie sich bei räumlichen Anordnungen in quadratischer Abhängigkeit mit dem Hub. Damit sieht auch die Volumenentwicklung im zeitlichen Verlauf anders aus, als bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen. Ist die Volumenkurve der Kolbenmaschine mit konstanter Kolbenfläche bei sinusförmigem Hub gleichfalls sinusförmig (vgl. auch Ansprüche 4 und 5), entwickelt sie sich bei ebenen Anordnungen quadratisch (9a, Kurve 4 vs. 5) und bei räumlichen Anordnungen sogar kubisch sinusförmig. Die erfindungsgemäße Maschine hat daher den Vorteil, dass die Kraft auf den Partialkolben unterproportional zum Druck im Arbeitsraum steigt (vgl. 9b bis 9d). Tatsächlich wird der Zusammenhang über die Wurzelfunktion hergestellt. Für die Abbildung thermodynamischer Kreisprozesse bietet eine derart „verbogene" Kurve eine signifikante Verlängerung der Gleichraumzeit um den OT herum sowie eine steile Arbeitsflanke. Bezogen auf die Praxis heißt dies, dass Vorzündwinkel weniger schädlich sind und ideale Bedingungen für eine Gleichraumverbrennung gegeben sind. Neben höheren Brenntemperaturen hat dies auch den Vorteil, dass der Kurbelwinkel, bei dem der Kolben die maximale Kraft entwickelt, für die Kraftumsetzung wesentlich günstiger ist. Bedingt durch die Änderung der wirksamen Kolbenfläche ist außerdem der Kraftfluss auf das Triebwerk erheblich weicher, weil gleichförmiger, was wiederum die Lager- und Torsionsbelastung der Kurbelwelle senkt.While the effective piston area changes in the case of flat arrangements (cf. claims 8 and 9) in linear dependence with the stroke ( 9a , Curve 3 ), it changes in spatial arrangements depending on the square with the stroke. This means that the volume development looks different over time than with conventional reciprocating piston machines. If the volume curve of the piston machine with a constant piston area and a sinusoidal stroke is also sinusoidal (see also claims 4 and 5), it develops quadratically with flat arrangements ( 9a , Curve 4 vs. 5 ) and even spatial cubic sinusoidal. The machine according to the invention therefore has the advantage that the force on the partial piston rises disproportionately to the pressure in the working space (cf. 9b to 9d ). In fact, the connection is made through the root function. For the mapping of thermodynamic cycle processes, such a "bent" curve offers a significant extension of the constant space around the TDC as well as a steep working flank. In practice, this means that pre-ignition angles are less harmful and ideal conditions are available for a constant combustion. In addition to higher firing temperatures This also has the advantage that the crank angle at which the piston develops the maximum force is much cheaper for the power conversion. Due to the change in the effective piston area, the power flow to the engine is also considerably softer because it is more uniform, which in turn makes the bearings - And reduces the torsional load on the crankshaft.

Anspruch 7 kombiniert – bei gleichem Oberbegriff – die durch die Ansprüche 1 bis 3 beschriebene Anordnung mit Anspruch 6. Das erfindungsgemäße Triebwerk eignet sich nämlich bestens für die Kraftumsetzung der Mehrkolbenmaschine mit veränderlicher Kolbenfläche – insbesondere in ebener Ausführung; für räumliche Ausführungen wird der Kraftschluss über elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Vorrichtungen einfacher zu realisieren sein, da die Bewegungsachsen dann nicht auf einer Ebene liegen.claim 7 combined - at same generic term - the through the claims 1 to 3 described arrangement with claim 6. The engine of the invention is suitable best for the power conversion of the multi-piston machine with variable Piston area - in particular in a flat design; for spatial versions the adhesion is over electromagnetic, hydraulic or pneumatic devices be easier to implement because the axes of movement will not lie on one level.

Anspruch 8 beschreibt eine bevorzugte Ausführung der Mehrkolbenmaschine mit veränderlicher Kolbenfläche, dadurch gekennzeichnet, dass n > 2 in der Grundform wie gleichschenklige dreiseitige Prismen gleicher Höhe ausgebildete Partialkolben (2) zwischen zwei parallelen Gehäusewandungen (1) entlang der Kanten des n-Ecks, das ihre Grundflächen bei kompakter Anordnung beschreiben, geführt werden und in der Mitte einen in zwei Raumrichtungen veränderlichen Arbeitsraum (AR) einschließen (6a, 6b).Claim 8 describes a preferred embodiment of the multi-piston machine with a variable piston area, characterized in that n> 2 partial pistons of the same shape as isosceles three-sided prisms of the same height ( 2 ) between two parallel housing walls ( 1 ) are guided along the edges of the n-corner, which describe their base areas in a compact arrangement, and in the middle enclose a working space (AR) that changes in two spatial directions ( 6a . 6b ).

Die entwicklungstechnische Sicht dieser bevorzugten Ausführungsart der Maschine wird im Folgenden eingehender beschrieben. Zunächst einmal sei angemerkt, dass die Maschine das Analogon zu der in Anspruch 6 beschriebenen Sternanordnung bildet. Statt in Laufbuchsen gleiten die dreieckig geformten Partialkolben bei (im weiteren Sinne) tangentialer Führung (13) unter Wahrung des Formschlusses an den Berührflächen jedoch direkt aneinander ab. Da die Richtung der Gaskraft nicht mit der Bewegungsrichtung des Kolben übereinstimmt, muss die Kolbenführung (13), die vorzugsweise nach dem Prinzip der Nut in die beiden Gehäusewandungen (7) eingelassen ist, Kräfte umlenken (vgl. 6a, 6b). Realistische Ausgestaltungen der Maschine werden 3 bis 6 Partialkolben aufweisen, wobei die Richtung des Kraftflusses eine Rolle spielt. Für Pumpen wird man bevorzugt Anordnungen mit 3 oder 4 Partialkolben und für Motoren Anordnungen mit 4 bis 6 Partialkolben einsetzen, damit der Winkel für die Kraftablenkung klein bleibt. Die Drehrichtung der Kurbelwellen kann aber so gewählt werden, dass vorwiegend die Kurbelzapfen und nicht die Führungen belastet werden, wenn die Gaskräfte maximal sind. Auch können der Hub der Partialkolben und die Lage der Wellenachsen so gewählt werden, dass die Maschine nahezu jedes geometrische Verdichtungsverhältnis erreicht. Dabei bleiben die Partialhübe sehr gering, weshalb die Maschine generell (und mit wachsender Kolbenzahl zunehmend) kurzhubig angelegt ist.The developmental view of this preferred embodiment of the machine is described in more detail below. First of all, it should be noted that the machine forms the analog of the star arrangement described in claim 6. Instead of in liners, the triangular-shaped partial pistons slide with (in a broader sense) tangential guidance ( 13 ) while maintaining the form fit on the contact surfaces. Since the direction of the gas force does not match the direction of movement of the piston, the piston guide ( 13 ), which is preferably based on the principle of the groove in the two housing walls ( 7 ) is let in, divert forces (cf. 6a . 6b ). Realistic configurations of the machine will have 3 to 6 partial pistons, whereby the direction of the force flow plays a role. Arrangements with 3 or 4 partial pistons are preferred for pumps and arrangements with 4 to 6 partial pistons for motors, so that the angle for force deflection remains small. The direction of rotation of the crankshafts can, however, be selected so that predominantly the crank pins and not the guides are loaded when the gas forces are at a maximum. The stroke of the partial pistons and the position of the shaft axes can also be selected so that the machine achieves almost any geometric compression ratio. The partial strokes remain very low, which is why the machine in general (and with increasing number of pistons is increasingly) short stroke.

Der Arbeitsraum kann als pulsierendes Prisma begriffen werden, dessen Höhe vom Prinzip her frei wählbar ist. Um das Verhältnis Wandfläche-zu-Volumen zu optimieren (tatsächlich war dies der ursprünglich hinter der Erfindung steckende Gedanke), wird es eines der Ziele bei der Auslegung der Maschine als Verbrennungsmotor sein, dass der Brennraum dann die Kugelform am besten annähert, wenn die Temperatur am größten ist, also etwas nach OT. Die beste OT-Kontur ist demnach ein Prisma, das etwas höher als breit ist.The Working space can be understood as a pulsating prism, whose Height from Freely selectable principle is. About the relationship Wall surface to volume to optimize (actually this was the original one idea behind the invention), it becomes one of the goals when designing the machine as an internal combustion engine that the combustion chamber best approximates the spherical shape when the temperature at greatest is so something after OT. The best OT contour is therefore a prism, that a little higher than is wide.

Der Massenausgleich für die erfindungsgemäße Maschine ist denkbar einfach. Bei ausgewuchteten rotierenden Massen (Kurbelmassen) lassen sich die Kräfte der oszillierenden Massen ohne weitere Auswuchtung als Summe von radialen und tangentialen Komponenten begreifen, wobei sich die radialen Kräfte der Kolben bei punktsymmetrischer Auslegung ausgleichen und die tangentialen Kräfte ein Torsionsmoment (!) mit wechselndem Vorzeichen um die Achse SP erzeugen. Obwohl ein vollständiger Ausgleich auch der tangentialen Kolbenkräfte allein durch rotierende Gewichte (10) (7) ohne weiteres möglich ist (hier heben sich die radialen Anteile wieder auf), kann sie bei Auslegung der Maschine als Verbrennungsmotor mit mehreren Arbeitsräumen auch unterbleiben. Für die Lagerbelastung gilt: Sie nimmt durch Ausgleichsgewichte, die im Allgemeinen außerhalb der Laufbuchse liegen werden (vgl. 7), wegen der radialen Anteile eher zu; zudem ist sie aufgrund der fehlenden Pleuelmassen nicht höher als bei konventionellen Hubkolbenmotoren, wo die oszillierenden Massen gewöhnlich nur zur Hälfte an der Kurbel ausgewuchtet werden. Eine vollständige Aufhebung des massebedingten Torsionsmoments lässt sich durch eine zweite Maschineneinheit erreichen, die bei durchgängigen Partialkurbelwellen um 180° Kurbelwinkel versetzt zur ersten läuft und ein entgegengerichtetes massebedingtes Torsionsmoment gleichen Betrags erzeugt. Auch ein 360°-Versatz zweier spiegelbildlich arbeitender Einheiten ist möglich, wobei allerdings der Drehsinn einer Einheit dann nicht optimiert ist.The mass balance for the machine according to the invention is very simple. In the case of balanced rotating masses (crank masses), the forces of the oscillating masses can be understood as the sum of radial and tangential components without further balancing, whereby the radial forces of the pistons equalize with a point-symmetrical design and the tangential forces a torsional moment (!) With a changing sign generate the axis SP. Although the tangential piston forces can also be fully compensated by rotating weights ( 10 ) ( 7 ) is easily possible (here the radial parts cancel each other out), it can also be omitted if the machine is designed as an internal combustion engine with several work rooms. The following applies to the bearing load: it increases due to counterweights, which will generally lie outside the bushing (cf. 7 ), because of the radial components rather too; in addition, due to the lack of connecting rod masses, it is no higher than that of conventional reciprocating piston engines, where the oscillating masses are usually only half balanced on the crank. A complete abolition of the torsional moment due to mass can be achieved by a second machine unit, which runs with offset partial crankshafts by 180 ° crank angle to the first and generates an opposing mass-related torsional moment of the same amount. A 360 ° offset of two mirror-image units is also possible, although the direction of rotation of one unit is not optimized.

Dem Einwand, dass die innere Reibung der erfindungsgemäßen Maschine sowie der Dichtaufwand um einiges höher sind als bei der konventionellen Hubkolbenmaschine, sei durch die folgende Modellrechnung begegnet:
Die 9a bis 9d zeigen die zeitlichen Verläufe für Kolbenfläche, Arbeitsraumvolumen, Druck und Kraft auf Kolben bezogen 400 cm³ Hubraum für eine konventionelle Hubkolbenmaschine und eine Mehrkolbenanordnung entlang Anspruch 8. Bei dem für Ottomotoren typisch gewählten Verdichtungsverhältnis 9:1 wird insbesondere deutlich, welche vorteilhaften Auswirkungen die Änderung der Kolbenfläche für die Abbildung des als Gleichraumprozess definierten Ottoprozesses und zudem für den Kraftfluss über die Partialkolben hat.The following model calculation addresses the objection that the internal friction of the machine according to the invention and the sealing effort are somewhat higher than that of the conventional reciprocating piston machine:
The 9a to 9d show the time profiles for piston area, working space volume, pressure and force based on piston 400 cm ³ displacement for a conventional reciprocating piston engine and a multi-piston arrangement along claim 8. With the compression ratio 9: 1, which is typically selected for gasoline engines, it becomes particularly clear what advantageous effects the change in Piston area for the mapping of the Otto process defined as an equilibrium process and also for the force flow over the partial pistons.

Die konventionelle Hubkolbenmaschine sei mit 8 cm Hub quadratisch ausgelegt und verfüge über ein 2:1-Pleuel. Die Fläche ihrer sandwichförmigen OT-Kontur errechnet sich somit zu etwa 125 cm². Die erfindungsgemäße Maschine verfüge über vier gleiche Partialkolben und weise eine quaderförmige OT-Kontur mit 3 × 3 × 4 cm³ auf, woraus sich ein (tangentialer) Partialkolbenhub von 5,4 cm und eine OT-Konturfläche von 66 cm² errechnet. Auf einen Partialkolbenhub von 8 cm ausgelegt, hätte die erfindungsgemäße Maschine bereits ein Hubvolumen von 1333 cm³ bei einer OT-Kontur von 128 cm² (entsprechend 4,5 × 4,5 × 6 cm³). Aus dieser Rechnung wird deutlich, dass die erfindungsgemäße Maschine bei vergleichbaren kinematischen Bedingungen (Drehzahl) und gleichem absoluten Wandwärmeverlust auf den gut dreifachen Hubraum ausgelegt werden kann. Eine Anordnung aus zwei Einheiten kann daher von der Leistung her nicht nur eine konventionelle Sechszylindermaschine aufwiegen, sie erzielt auch einen höheren thermodynamischen Wirkungsgrad – bei naturgemäß geringerer Zündfrequenz. Bei Anordnungen mit fünf oder sechs Partialkolben wird das Verhältnis von Hubraum zu Partialhub durch den kleiner werdenden Winkel zwischen Kraftrichtung und tangentialer Führung weiter verbessert.The conventional reciprocating piston machine is designed to be square with an 8 cm stroke and has a 2: 1 connecting rod. The area of their sandwich-shaped OT contour is thus calculated to be approximately 125 cm ² . The machine according to the invention has four identical partial pistons and has a cuboid TDC contour with 3 × 3 × 4 cm ³ , from which a (tangential) partial piston stroke of 5.4 cm and an TDC contour area of 66 cm ^{2 are} calculated. Designed for a partial piston stroke of 8 cm, the machine according to the invention would already have a stroke volume of 1333 cm ³ with an TDC contour of 128 cm ² (corresponding to 4.5 × 4.5 × 6 cm ³ ). From this calculation it is clear that the machine according to the invention can be designed for a good three times the displacement under comparable kinematic conditions (speed) and the same absolute heat loss. An arrangement of two units can therefore not only outweigh the performance of a conventional six-cylinder machine, it also achieves a higher thermodynamic efficiency - with a naturally lower ignition frequency. In arrangements with five or six partial pistons, the ratio of displacement to partial stroke is further improved by the smaller angle between the direction of force and tangential guidance.

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass das Maschinendesign durchaus die Option für eine Verdichtungsanpassung bietet. Bereits eine geringe Drehung der Partialkurbelachsen um die Achse SP bewirkt eine Änderung der Verdichtung sowie des Hubvolumens dahingehend, dass sich das Hubvolumen bei wachsendem ε verringert – und umgekehrt. Ein verkleinertes Hubvolumen senkt die Drosselverluste. Konstruktiv lässt sich das am einfachsten realisieren, wenn die Achse (6) des An-/Abtriebs (vgl. 2) mit SP zusammenfällt und die Partialkurbelachsen in einem starren um SP drehbaren Ring gelagert werden. Da an dem Ring während des Betriebs Kräfte in beiden Drehrichtungen anliegen, sind keine externen Stellkräfte notwendig, sofern die Verstellvorrichtung phasensynchron gesteuert wird.For the sake of completeness, it should be mentioned that the machine design certainly offers the option for a compression adjustment. Even a slight rotation of the partial crank axes around the axis SP causes a change in the compression and the stroke volume in such a way that the stroke volume decreases with increasing ε - and vice versa. A reduced stroke volume reduces throttle losses. The easiest way to construct this is when the axis ( 6 ) of the input / output (cf. 2 ) coincides with SP and the partial crank axles are supported in a rigid ring that can be rotated around SP. Since forces are applied to the ring in both directions of rotation during operation, no external actuating forces are necessary if the adjusting device is controlled in phase synchronization.

Zudem sei auf die Möglichkeit hingewiesen, dass die Partialkolben bei hinreichend großem Hub mit ihren Spitzen den Punkt SP auch überlaufen können und den Arbeitsraum zum OT hin also erneut öffnen. Die Maschine durchläuft somit eine Volumenänderung mit doppelter Kurbelfrequenz, wobei das Volumenverhältnis für die beiden Öffnungsphasen über die Winkellage der Partialkurbelwellen frei wählbar ist. Im Unterschied zur nicht überlaufenden Maschine wird das Minimalvolumen mit großer Geschwindigkeit durchlaufen, wobei die Volumenentwicklung im symmetrischen Fall sinusförmig ist. Es wird allerdings eingeräumt, dass die Abdichtung der Partialkolben schwierig ist und der spezifische Hub (bezogen auf Volumenfluss) ungünstiger wird.In addition, attention should be drawn to the possibility that the tips of the partial pistons can also overrun the point SP if the stroke is sufficiently large, and thus open the working space towards the OT again. The machine thus undergoes a volume change with double crank frequency, the volume ratio for the two opening phases being freely selectable via the angular position of the partial crankshafts. In contrast to the non-overflowing machine, the minimum volume is run through at high speed, with the volume development in symmetrical case is sinusoidal. However, it is conceded that the sealing of the partial pistons is difficult and the specific stroke (in relation to volume flow) becomes less favorable.

Ausgestattet mit einer Vorrichtung zur Drehverstellung der Partialkurbelwellen um SP könnte die überlaufende Anordnung vorteilhaft als Viertaktverbrennungsmotor konzipiert werden, bei dem zur Leistungsregelung das Verhältnis zwischen Ansaug- und Arbeitsvolumen variiert wird. Im Teillastbetrieb läuft dies auf eine sehr wirkungsvolle Exergienutzung hinaus, da die Kolbenfläche in der exergetischen Phase am größten ist. Für den Hochleistungsbetrieb kann durch eine Verstellung in der umgekehrten Richtung auch eine Aufladung erreicht werden.Fitted with a device for rotating the partial crankshafts around SP could the overflowing Arrangement can be advantageously designed as a four-stroke internal combustion engine, where the ratio between intake and working volume for power control is varied. In partial load operation, this runs on a very effective Exergy use, since the piston surface in the exergetic phase on greatest is. For the High performance operation can be done through an adjustment in the reverse Towards charging can also be achieved.

Anspruch 9 beschreibt eine bevorzugte Ausführung der Mehrkolbenmaschine mit veränderlicher Kolbenfläche als Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass vier in der Grundform als Trapez-Prismen ausgebildete, zwischen parallelen Wandungen und um ein feststehendes inneres Viereck (1b) herum kraftschlüssig geführte doppeltwirkende Partialkolben (2a, 2b, 2c, 2d) vier an den Ecken des Vierecks befindliche Brennkammern bilden und ein Viertaktbetrieb mit umlaufender Zündfolge erzielt wird (8).Claim 9 describes a preferred embodiment of the multi-piston machine with variable piston area as an internal combustion engine, characterized in that four in the basic form as trapezoidal prisms, between parallel walls and around a fixed inner square ( 1b ) non-positively guided double-acting partial pistons ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) form four combustion chambers located at the corners of the square and a four-cycle operation with rotating ignition sequence is achieved ( 8th ).

Diese Ausführungsart der erfindungsgemäßen Maschine ähnelt im Prinzip der in Anspruch 5 beschriebenen Ringanordnung, mit dem Unterschied, dass die vier Partialkolben wie in der durch Anspruch 8 beschriebenen Ausführungsart mit gleichem Drehsinn in überwiegend tangentialer Richtung geführt werden (8). Bei der Brennraumbildung durch die doppeltwirkenden Partialkolben fällt auf, dass die sekundären Kolben 2a und 2c vom Prinzip her die Funktion einer verschieblichen Wandung haben und auf die Grundform an sich keine Gaskräfte in Bewegungsrichtung wirken. Eine Abwinklung der Kolbenform an den brennraumseitigen Enden in den Brennraum hinein bringt Vorteile, da sie einen Teil der Gaskraft auf einen konstanten Flächenabschnitt lenkt, der in Bewegungsrichtung des Kolbens wirkt. Dies wirkt sich vor allem im Bereich des OT positiv aus und entlastet die primären Arbeitskolben 2b und 2d, sowie die tangentialen Führungen aller Partialkolben. Die primären Arbeitskolben können ihrerseits auch leicht zum Brennraum hin abgewinkelt sein, um die Kraftrichtung im OT und die Kugelannäherung der OT-Kontur weiter zu verbessern.This embodiment of the machine according to the invention is similar in principle to the ring arrangement described in claim 5, with the difference that the four partial pistons are guided with the same direction of rotation in a predominantly tangential direction as in the embodiment described by claim 8 ( 8th ). When the combustion chamber is formed by the double-acting partial pistons, it is noticeable that the secondary pistons 2a and 2c in principle have the function of a displaceable wall and no gas forces in the direction of movement act on the basic shape per se. Angling the piston shape into the combustion chamber at the ends on the combustion chamber side has advantages because it directs part of the gas force onto a constant surface section which acts in the direction of movement of the piston. This has a positive effect especially in the area of OT and relieves the primary work pistons 2 B and 2d , as well as the tangential guides of all partial pistons. For their part, the primary working pistons can also be angled slightly towards the combustion chamber in order to further improve the direction of force in the TDC and the ball approach of the TDC contour.

Werden die Ventile gegenüberliegend und leicht schräg, mit den Schäften zur Achse A weisend in den beiden Abdeckplatten des Arbeitsraums untergebracht, kann die Einlass- und die Auslassseite durch jeweils eine gemeinsame Nockenwelle (entlang A) bedient werden. Schräg liegende Ventile tragen zur besseren Annäherung der Kugelform bei und vergrößern zudem die für die Ventile verfügbare Fläche.Become the valves opposite and slightly sloping, with the shafts facing axis A in the two cover plates of the work area housed, the inlet and the exhaust side through a common camshaft (along A) are operated. Aslant lying valves contribute to the better approximation of the spherical shape and also enlarge the for the valves available Area.

Was den Massenausgleich des Triebwerks betrifft, so gilt im Wesentlichen das zur Ausführung entlang Anspruch 8 Gesagte.What Essentially applies to the mass balance of the engine that to run along Claim 8 said.

Anspruch 10 betrifft die Anordnung der Ventile und Einspritzdüsen für eine Auslegung der erfindungsgemäßen Maschine als Verbrennungsmotor. Bei der konventionellen Hubkolbenmaschine ist die Lage der Ventile und Einspritzdüsen naturgemäß auf die Kopffläche des Zylinders beschränkt. Wie bereits erwähnt, zielt die Mehrkolbenanordnung auf eine bessere Annäherung der Kugelform für den Brennraum ab. Weist der Brennraum gegenüberliegende Gehäuseflächen auf, besteht die Möglichkeit, dort Ventile und/oder Einspritzdüsen anzuordnen. Gegenüberliegende Ventile verbessern die Spülung bei weniger kritischen Ventilüberschneidungszeiten. Gegenüberliegende Einspritzdüsen, eröffnen die Möglichkeit einer strahlgeführten Schichtladung mit Gemischbildung durch Aufeinandertreffen der Strahlkegel in der Mitte des Brennraums, wobei die umhüllenden inerten Gaspolster die Wandwärmeverluste weiter verringern.claim 10 relates to the arrangement of the valves and injectors for one design the machine according to the invention as an internal combustion engine. With the conventional reciprocating piston machine the position of the valves and injectors is naturally on the head face of the cylinder limited. As already mentioned, the multi-piston arrangement aims at a better approximation of the Spherical shape for the combustion chamber. If the combustion chamber has opposite housing surfaces, it is possible, there valves and / or injectors to arrange. Opposing Valves improve flushing with less critical valve overlap times. Opposing injectors, open the possibility a beam-guided Stratified charge with mixture formation due to the beam cones colliding in the middle of the combustion chamber, with the enveloping inert gas cushion the wall heat losses further decrease.

Anordnungen entlang der Ansprüche 4, 7, 8 und 9 müssen aus geometrischen Gründen mit eher geringen Ventildurchmessern auskommen. Dies kann aber durch größere Ventilhübe ausgeglichen werden. Des weiteren sind aufgrund der günstigeren Arbeitsraumgeometrie, der Volumenentwicklung und der zentralen Lage der Ventile deutlich geringere Strömungsverluste beim Gaswechsel zu erwarten.arrangements along the claims 4, 7, 8 and 9 must for geometric reasons get by with rather small valve diameters. But this can be done by larger valve strokes can be compensated. Furthermore, due to the cheaper working space geometry, the volume development and the central location of the valves clearly lower flow losses to be expected when changing gas.

Erläuterung der Abbildungenexplanation of the pictures

1a bis 1d zeigen einen Kolben (2) mit integraler Kurbelschleife (3) und Kurbelwelle (4, 5, 7, 10) – beispielhaft für Ausführungen entlang der Ansprüche 1 bis 5. In 1a ist ein Rundkolben und in 1b ein Rechteckkolben im Querschnitt ausgeführt. Die Ausgleichsmassen 10 dienen dem Ausgleich des Kurbelzapfens (5), der Kurbelwangen (4) und des Gleitsteins (8). Die 1c und 1d zeigen Längsschnitte beider Kolbenformen sowie der Kurbelwelle für die OT- und die UT-Stellung. 1a to 1d show a piston ( 2 ) with integral crank loop ( 3 ) and crankshaft ( 4 . 5 . 7 . 10 ) - exemplary of designs along claims 1 to 5. In 1a is a round bottom flask and in 1b a rectangular piston executed in cross section. The leveling compounds 10 serve to balance the crank pin ( 5 ), the crank cheeks ( 4 ) and the sliding block ( 8th ). The 1c and 1d show longitudinal sections of both piston shapes and the crankshaft for the TDC and UT position.

2 zeigt die Kopplung von vier Partialkolbenkurbelwellen (7a, 7b, 7c, 7d) und einer An-/Abtriebswelle (6) über eine mit Kurbelkreis K1 kreisende Schwungvorrichtung (9) – beispielhaft für Ausführungen entlang der Ansprüche 2 bis 5 und 7 bis 10. 2 shows the coupling of four partial piston crankshafts ( 7a . 7b . 7c . 7d ) and an input / output shaft ( 6 ) via a swing device rotating with crank circuit K1 ( 9 ) - exemplary of designs according to claims 2 to 5 and 7 to 10.

3 zeigt eine Ringanordnung von vier doppeltwirkenden Partialkolben (2a, 2b, 2c, 2d) für einen 4-Zylindermotor mit höchster Leistungsdichte und immanentem Massenausgleich – beispielhaft für Ausführungen entlang Anspruch 5. 3 shows a ring arrangement of four double-acting partial pistons ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) for a 4-cylinder engine with the highest power density and intrinsic mass balancing - exemplary for designs according to claim 5.

4 zeigt eine Sternanordnung mit drei Partialkolben (2a, 2b, 2c), zentraler Brennkammer und Ladepumpen an den Kolbengegenseiten für den Zweitakt- oder Viertaktbetrieb – beispielhaft für Anspruch 4. 4 shows a star arrangement with three partial pistons ( 2a . 2 B . 2c ), central combustion chamber and charge pumps on the piston opposite sides for two-stroke or four-stroke operation - exemplary for claim 4.

5a und 5b zeigen die OT- und UT-Stellungen einer Sternanordnung mit vier Partialkolben (2a, 2b, 2c, 2d), zentraler Brennkammer und Ladepumpen an den Kolbengegenseiten für den Zweitakt- oder Viertaktbetrieb – beispielhaft für Anspruch 4 5a and 5b show the OT and UT positions of a star arrangement with four partial pistons ( 2a . 2 B . 2c . 2d ), central combustion chamber and charge pumps on the piston opposite sides for two-stroke or four-stroke operation - exemplary for claim 4

6a und 6b zeigen die OT- und UT-Stellungen einer Mehrkolbenanordnung mit fünf Partialkolben (2) beispielhaft für Anspruch 8. Die Schnittebene liegt parallel zu den Gehäusewandungen und verläuft durch die Kurbelschleifen (3). Bei der gezeigten Verdichtung von 9:1 ändert sich die wirksame Kolbenfläche im Verhältnis 3:1. 6a and 6b show the TDC and TDC positions of a multi-piston arrangement with five partial pistons ( 2 ) exemplary for claim 8. The sectional plane lies parallel to the housing walls and runs through the crank loops ( 3 ). With the compression of 9: 1 shown, the effective piston area changes in a ratio of 3: 1.

7 zeigt einen Schnitt durch eine Mehrkolbenanordnung mit vier Partialkolben beispielhaft für Anspruch 8. Die Schnitt geht durch zwei (sich gegenüberliegende) Partialkolben (2a, 2c) und verläuft entlang ihrer Kurbelwellenachsen (A1, A3). Die Gewichte 10a, 10b gleichen die Kurbelmasse (4, 5, 8) sowie die durch die Tangentialbewegung der Partialkolben verursachte Massentorsion aus. Die rechte Hälfte der Zeichnung zeigt einen Schnitt durch die Schwungvorrichtung mit Kraftschlussfunktion für die Partialkolbenkurbelwellen (vgl. 2). Die Gewichte 10c gleichen die (rotierende) Masse der Schwungplatte 9 aus. 7 shows a section through a multi-piston arrangement with four partial pistons as an example for claim 8. The section goes through two (opposite) partial pistons ( 2a . 2c ) and runs along their crankshaft axes (A1, A3). The weights 10a . 10b equal the crank mass ( 4 . 5 . 8th ) as well as the mass torsion caused by the tangential movement of the partial pistons. The right half of the drawing shows a section through the flywheel device with frictional engagement function for the partial piston crankshafts (cf. 2 ). The weights 10c equal the (rotating) mass of the flywheel 9 out.

8 zeigt eine Ringanordnung einer Mehrkolbenmaschine mit veränderlicher Kolbenfläche, vier Partialkolben und vier Brennräumen beispielhaft für Anspruch 9. 8th shows a ring arrangement of a multi-piston machine with variable piston area, four partial pistons and four combustion chambers as an example for claim 9.

9a bis 9d zeigen die Diagramme einer vergleichenden Modellrechnung zwischen einer herkömmlichen 400 cm³-Hubkolbenmaschine mit quadratischem Hub und einer erfindungsgemäßen 400 cm³-Mehrkolbenmaschine mit vier Partialkolben entlang Anspruch 8, jeweils bezogen auf eine Verdichtung von 9:1. Dargestellt werden: Kolbenflächen und Arbeitsraumvolumina (9a); Adiabaten normiert auf 38 bar (9b); Kraft auf Kolben für Adiabaten (9c); Kraft auf Kolben während des Verdichtungs- und Verbrennungstakts (9d) – für die erfindungsgemäße Maschine ist hier der erwartete Verlauf wiedergegeben. 9a to 9d show the diagrams of a comparative model calculation between a conventional 400 cm ³ reciprocating piston machine with a square stroke and a 400 cm ³ multi-piston engine according to the invention with four partial pistons along claim 8, each based on a compression of 9: 1. The following are shown: piston areas and working space volumes ( 9a ); Adiabatic standardized to 38 bar ( 9b ); Force on pistons for adiabatic ( 9c ); Force on pistons during the compression and combustion stroke ( 9d ) - the expected course for the machine according to the invention is shown here.

11: Gehäuse, feststehende Wandung Housing, fixed wall
22: Partialkolben; in einzelner Aufzählung: 2a, 2b, ...Partialkolben; in individual enumeration: 2a . 2 B , ...
33: KurbelschleifeA crank slide
4 4: Kurbelwangecrank web
55: Kurbelzapfencrank pin
66: Kurbelwelle An-/Abtriebcrankshaft Input / output
7 7: Kurbelwelle Partialkolben; in einzelner Aufzählung: 7a, 7b, ...Crankshaft partial piston; in individual enumeration: 7a . 7b , ...
88th: Gleitstein für Kurbelschleifentriebslide for crank loop drive
9 9: Kraftschlussvorrichtung nach dem Schubstangenprinzip, SchwungplatteTraction device according to the push rod principle, flywheel
1010: Ausgleichsgewicht; in einzelner Aufzählung: 10a, 10b, ...Counterweight; in individual enumeration: 10a . 10b , ...
11 11: Einlassflatterventil für 2:1-LaderIntake shutter valve for 2: 1 loaders
1212: Auslassflatterventil für 2:1-Lader Auslassflatterventil for 2: 1 loaders
1313: Führungsnut für Tangentialführung der Partialkolbenguide for tangential guidance of the Partialkolben
1414: Dichtleiste, KolbenringSealing strip, piston ring
K, K1, K2 K K1, K2: Kurbelkreiscrank circle
WKFWKF: wirksame Kolbenflächeeffective piston area
OTK OTK: Arbeitsraumkontur am oberen Totpunkt (OT)Working space contour at top dead center (OT)
A, A1, A3A, A1, A3: Achseaxis
SPSP: Sternpunktstar point

Claims

Reciprocating piston machine with one or more working spaces (AR) and two or more partial pistons guided at an angle to each other ( 2a . 2 B , ...) for each work area, characterized in that the power conversion via frictionally coupled crank-loop drives ( 3 . 4 . 5 . 7a . 7b , ..., 8th ) takes place, the crank loops ( 3 ) are designed as integral components of individual partial pistons.

Reciprocating piston machine according to claim 1, characterized in that the frictional connection between the crankshafts of the crank loop drives and the input or output by means of a device which is rigid in itself and encircles all the shaft axes by means of in-phase cranks ( 9 ) is based on the push rod principle.

Reciprocating machine according to claim 1 or 2, characterized characterized that the for the formation of the work area relevant cross section of the partial pistons approximately is rectangular.

Internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least three partial pistons guided in a star shape in one plane ( 2 ) operate a common combustion chamber (AR) located at the star point (M) and the oscillating inertia forces of all partial pistons balance each other.

4-stroke internal combustion engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that four double-acting partial pistons ( 2a ... 2d ) in a plane along the sides of a square in liners ( 1 ) are guided in such a way that the mass forces of all partial pistons balance each other, and four combustion chambers (AR) located at the corners of the quadrilateral are operated by two partial pistons each in such a way that four-stroke operation with a rotating ignition sequence is achieved.

Reciprocating machine with one or more working spaces and two or more partial pistons at an angle to each other ( 2 ) per work area (AR), characterized in that a change in the effective piston area (WKF) depending on the stroke is achieved by suitable shaping and guidance of the partial pistons.

Reciprocating machine according to one of claims 1 to 3 and claim 6

Reciprocating piston machine according to claim 7, characterized in that n> 2 partial pistons of the same shape as isosceles three-sided prisms of the same height ( 2 ) between two parallel housing walls ( 1 ) along the edges of the n-corner, which describe their base areas in a compact arrangement, and enclose in the middle a work space (AR) that changes in two spatial directions.

4-stroke internal combustion engine according to one of claims 6 to 8, characterized in that four in the basic form as trapezoidal prisms, between parallel walls and around a fixed inner square ( 1b ) non-positively guided double-acting partial pistons ( 2a . 2 B . 2c . 2d ) form four combustion chambers located at the corners of the square and a four-stroke operation with a rotating ignition sequence is achieved.

Internal combustion engine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the working space (AR) with delimiting housing walls ( 1 ) have opposite devices for gas exchange and / or fuel supply and thereby a cross-flow purging and / or improved mixture formation in the middle of the combustion chamber is achieved.