DE4212921A1 - Multiple-shaft IC engine - has intermeshing shaft pairs, one for fuel intake and compression, other for expansion and exhaust - Google Patents

Multiple-shaft IC engine - has intermeshing shaft pairs, one for fuel intake and compression, other for expansion and exhaust

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DE4212921A1 DE19924212921 DE4212921A DE4212921A1 DE 4212921 A1 DE4212921 A1 DE 4212921A1 DE 19924212921 DE19924212921 DE 19924212921 DE 4212921 A DE4212921 A DE 4212921A DE 4212921 A1 DE4212921 A1 DE 4212921A1
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    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
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    • F01C11/002Combinations of two or more machines or engines, each being of rotary-piston or oscillating-piston type of similar working principle
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Abstract

A rotary piston engine similar to Wankel engine uses at least two intermeshing shafts for intake, compression, expansion and exhaust of a fuel to generate rotary energy. The principle is that of the Roots blower. The shafts have different dimensions or are discontinuous for optimum compression and expansion. One spindle pair is used for intake and compression of the fuel and another for the expansion of the ignited fuel followed by exhaust. A rotary slide valve connects the fuel chambers. The valves are all self regulating using the compression and expansion pressure. The intake/exhaust valve timing is speed-dependent as is the ignition timing. ADVANTAGE Increased engine efficiency and reduced toxic emissions.

Description

1. Bezeichnung der Erfindung1. Name of the invention

Mehrspindelverbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, daß Ansaugen und Komprimie­ ren eines Mediums (Benzin, Öl, Luft- und die Expan­ sion des gezündeten Mediums (Verbrennung) jeweils über mindestens zwei ineinandergreifende Spindeln realisiert werden, und damit die Energie direkt in rotierende Bewegung umgesetzt wird.Multi-spindle internal combustion engine, characterized in that suction and compression media (petrol, oil, air and the expan sion of the ignited medium (combustion) each via at least two interlocking spindles be realized, and thus the energy directly in rotating movement is implemented.

2. Stand der Technik2. State of the art

Verbrennungsmotoren arbeiten gegenwärtig nach dem Prinzip des Hubbewegungen ausführenden Kolbens in einem Zylinder. Durch hohe Kompression eines Gas- Luftgemischs oder von Luft bei Injektion des Brenn­ stoffs und Zündung des komprimierten Mediums wird Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt. Der Wirkungsgrad wird vordergründig beeinträchtigt durch die Notwendigkeit der Umsetzung der Hubbewegung in rotierende Bewegung sowie das Verhältnis von 3 Vor- bzw. Nachleistungstakten zu einem Arbeitstakt.Internal combustion engines currently work according to the Principle of the piston carrying out lifting movements a cylinder. By high compression of a gas Air mixture or of air when the burner is injected material and ignition of the compressed medium Thermal energy converted into mechanical work. The Efficiency is primarily affected by the need to implement the lifting movement in rotating movement as well as the ratio of 3 pre or subsequent performance cycles for one work cycle.

Im sogenannten Zweitaktmotor ist dieses Verhältnis durch konstruktive Kombination der Funktionen der Hubbewegungen auf 1 : 2 reduziert, läßt aber durch Begrenzung der erreichbaren Kompression keine wesent­ liche Erhöhung des Wirkungsgrades zu.This ratio is in the so-called two-stroke engine by constructively combining the functions of the Stroke movements reduced to 1: 2, but lets through Limitation of the achievable compression is not essential increase in efficiency.

Eine dritte Form bisheriger Lösung sind Drehkolben­ motoren (Wankelmotor), die zwar den Wirkungsgradver­ lust durch die Umwandlung voll Hub- in Drehbewegung überwinden, aber die erreichbare Kompression noch weiter reduzieren. Auch Leistungserhöhung durch hin­ tereinander angeordnete Drehkolben führt eher zur Verringerung des Wirkungsgrads. Sie sind daher kraftstoffintensiver als Hubmotoren, damit auch weni­ ger umweltverträglich.A third form of previous solution is rotary lobes motors (Wankel motor), which admittedly increase the efficiency lust by converting full stroke to rotary motion overcome, but the achievable compression still further reduce. Also performance increase through there Rotary pistons arranged one behind the other tend to lead to Reduction in efficiency. You are therefore  more fuel-intensive than lifting motors, so less environmentally friendly.

Zur Wirkungsgraderhöhung beanspruchen diese Lösungen einen hohen Aufwand an mechanischen, elektrischen und elektronischen Übertragungs-, Steuer- und Regelungs­ funktionen. Sie sind mit immer höheren Anforderungen an verwendetes Material verbunden. Insgesamt wird da­ durch die Herstellung der Motoren kompliziert und ver­ teuert, die Automatisierung der Produktion erschwert.These solutions claim to increase efficiency a high level of mechanical, electrical and electronic transmission, control and regulation functions. They are with ever increasing demands connected to used material. Overall there will be complicated by the manufacture of the motors and ver expensive, the automation of production difficult.

3. Zweck der Erfindung - Aufgabenstellung3. Purpose of the invention - task

Es ist durch Verringerung bzw. Überwindung der den Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren beeinträchtigen­ den Faktoren (= Wirkungsgraderhöhlung) das Kraftstoff- Leistungsverhältnis zu erhöhen und damit die Umwelt­ beeinträchtigung zu reduzieren. Gleichzeitig sind durch Vereinfachung konstruktiver Elemente die Bedin­ gungen automatisierter Produktion zu verbessern.It is by reducing or overcoming the Affect the efficiency of internal combustion engines the factors (= increase in efficiency) Increase performance ratio and thus the environment reduce impairment. Are at the same time by simplifying constructive elements to improve automated production.

4. Technisches Problem4. Technical problem

Zur Lösung der Aufgabe waren über die Feststellungen unter 2. hinaus weitere wirkungsgradverringernde Fak­ toren bisheriger Lösungen zu analysieren, um zu einer komplexen Lösung bei ihrer Überwindung zu gelangen. Dazu gehörten:To solve the problem were about the findings under 2. further factors reducing efficiency to analyze previous solutions in order to complex solution to overcome. These included:

  • - Das ungünstige Verhältnis von rollender zu gleiten­ der Reibung (bes. Arbeitshub bei gleitender Reibung).- The unfavorable ratio of rolling to gliding the friction (esp. working stroke with sliding friction).
  • - Die Lagerung beweglicher Teile in thermisch hoch be­ anspruchten Zonen.- The storage of moving parts in thermally high be stressed zones.
  • - Begrenzung der Ausnutzung von Hebelwirkungen durch die Raumverhältnisse Zylinder-Kolben. Geringe He­ belwirkung beim Kreiskolbenmotor.- Limiting the exploitation of leverage through the space conditions cylinder-piston. Little Hey effect on the rotary piston engine.
  • - Reduzierung der komplizierten mechanischen Steuer- und Regelungsmechanismen durch Einsatz einfacher selbstregulierender Systeme. - Reduction of the complicated mechanical control and control mechanisms by using simpler self-regulating systems.  
  • - Verringerung des Trägheitsmoments durch Masseredu­ zierung und Verkleinerung des Radius rotierender Teile (Kurbelwelle, Schwungrad u. a.).- Reduction of the moment of inertia by mass reduction decoration and reduction of the rotating radius Parts (crankshaft, flywheel, etc.).
  • - Erhöhung der Ausnutzung der Verbrennungsausdehnung von vo-vmax.- Increase the utilization of the combustion expansion of v o -v max .
  • - Überwinden, daß die (nach Garnot) kontinuierliche Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit durch periodisch arbeitende Maschinen in periodisch entgegengesetzter Bewegung erfolgt. D.h. die für Ver­ brennungsmotoren typischen Perioden: Druck des Aggre­ gats auf das Medium - Druck des Mediums auf das Aggre­ gat, in einer Bewegungsrichtung zu realisieren. Dabei ist das Erreichen einer hohen Kompression bestimmend für den Wirkungsgrad.- Overcome that (according to Garnot) continuous Conversion of thermal energy into mechanical work by periodically operating machines in periodically opposite movement takes place. I.e. the for ver periods typical of internal combustion engines: pressure of the aggre gats on the medium - pressure of the medium on the aggregate gat to realize in one direction. Here the achievement of a high compression is decisive for efficiency.
  • - Verringerung von Konstruktionsteilen, die automati­ sierte Herstellung behindern.- Reduction of construction parts that automati hindered production.
5. Mittel der erfinderischen Lösung5. Means of the innovative solution

  • - Die Aufgabenstellung erforderte entsprechend der Pro­ blemanalyse eine komplexe Lösung. Sie wird dadurch realisiert, daß anstelle von Hub- oder Drehkolben die für die Periodizität der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit gleiche Funktion (Ansaugen, Verdichten, Arbeit) erfüllende Spindel ein­ gesetzt wird. Hohe Wirkungsbedingungen werden herbei­ geführt, indem sich zwei oder mehr in ihren "Gängen" ineinandergreifende Spindeln in einem "Zylinderfunk­ tion" wahrnehmenden Gehäuse (Bohrungen) drehen.- The task required according to the pro brain analysis a complex solution. It will realizes that instead of reciprocating or rotary pistons for the periodicity of the conversion of thermal energy same function in mechanical work (suction, Compaction, work) fulfilling spindle is set. High operating conditions are created led by two or more in their "corridors" interlocking spindles in a "cylinder radio tion "perceiving housing (holes).
  • - Der Einsatz von zwei oder mehr Spindeln ist Voraus­ setzung und Bedingung des Kompressionsdrucks, da die Spindel eine schiefe Ebene bildet und dadurch mit He­ belwirkung Kompression herbeiführt. Bei mehreren Spin­ deln führt jeder Spindelgang einen zeitlich-punktuellen Verschluß zwischen Arbeitsspindeln und Gehäuse (Zylin­ der) herbei.- The use of two or more spindles is ahead Setting and condition of the compression pressure, since the Spindle forms an inclined plane and therefore with He effects compression. With multiple spin deln each spindle gear leads a punctual in time Closure between work spindles and housing (cylin the).

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel von jeweils zwei Spindeln (Spindelpaaren = SP gekennzeichnet) darge­ legt. The invention is illustrated below using the example of each two spindles (pairs of spindles = SP marked) darge sets.  

Es ist aber davon ausgegangen, daß auch je nach Lei­ stungsanforderung ineinandergreifende Spindelkombina­ tionen von mehr als zwei einzusetzen sind.But it is assumed that depending on the Lei interlocking spindle combination of more than two are to be used.

  • - Zur Vereinfachung der Gesamtkonstruktion und für die Lagerung der Spindelwellen außerhalb thermisch beanspruchter Zonen werden je 2 Spindeln mit einem Zwischenraum (Verbrenngsraum) auf einer Welle = in einer Achse angeordnet.  - To simplify the overall construction and for the storage of the spindle shafts outside thermally stressed zones are 2 spindles with one Space (combustion space) on a wave logo CNRS logo INIST arranged in one axis.
  • - Die Länge der so angeordneten Spindelpaare und die Anzahl der Spindelgänge können je nach Leistungsan­ forderung unterschiedlich dimensioniert sein. Des­ gleichen Volumen der Spindelgänge, ihre Wirkungs­ richtung und ihr Abstand (h). Die getrennte Lage­ rung der Spindelpaare (z. Bsp. zur Ausnutzung unter­ schiedlicher Drehzahlen für Kompression : Leistung) ist eine andere Variante der unterschiedlichen Dimen­ sionierung.- The length of the spindle pairs thus arranged and the The number of spindle gears can vary depending on the performance requirement be dimensioned differently. Des equal volume of the spindle gears, their effects direction and its distance (h). The separate location of the spindle pairs (e.g. for use under different speeds for compression: power) is another variant of the different dimensions ionization.
  • Für die beispielhafte Darstellung (Zeichnung) wur­ den gleichdimensionierte Spindelpaare verwendet.For the exemplary representation (drawing) uses the same dimensioned pairs of spindles.
  • - SP 1 realisiert die Funktionen des Ansaugens und Kom­ primieren des Mediums = Periode des Einwirkens des Aggregats auf das Medium.- SP 1 realizes the functions of suction and com priming of the medium = period of exposure to the Aggregate on the medium.
  • SP 2 realisiert die Umwdlung der Expansion des ge­ zündeten Mediums (Verbrennung) in Drehbewegung = mechanische Arbeit.SP 2 realizes the expansion of the ge ignited medium (combustion) in rotary motion mechanical work.
  • Als Medium können sowohl Vergaserkraftstoff, Gase, Dieselöl als auch Luft verbunden mit Injektion von Brennstoff in den Kompressionsraum dienen.Gasification fuel, gases, Diesel oil as well as air associated with injection of Serve fuel in the compression space.
  • - SP 1 erzeugt die Kompression des Mediums nach den Gesetzen der Schraube: wobei
    P = Drehkraft
    L = Bewegungskraft (Druck)
    h = Abstand der Spindelwindungen
    r = Radius der Spindel.
    Damit wird Hebelwirkung für die Kompression erreicht die Spindelgänge wirken als schiefe Ebene.
    - SP 1 produces the compression of the medium according to the laws of the screw: in which
    P = torque
    L = movement force (pressure)
    h = distance between the spindle turns
    r = radius of the spindle.
    This achieves leverage for the compression, the spindle passages act as an inclined plane.
  • - SP 2 wandelt die Ausdehnungskraft des gezündeten Me­ diums in rotierende Bewegung (der Spindeln) um. Die Funktion vollzieht sich nach den Gesetzen des Keils in Symbiose mit den ballistischen Gesetzen des Dralls (besonders zur optimalen Nutzung der Ausdehnung von vo bis vmax). Die Keilwirkung (= Hebelwirkung) wird durch den Einsatz von mindestens zwei ineinandergrei­ fende Spindeln in einem Zylinderfunktion wahrnehmen­ den Gehäuse herbeigeführt. Das gezündete expandieren­ de Medium drückt als Keil in die Verzahnung zwischen den Arbeitsspindeln wird versetzt diese in drehende Bewegung nach: wobei
    P = Kraft
    L = Last = senkrecht auf die Seiten des Keils wirkender Druck
    R = Breite des Keilrückens
    S = Seitenlänge des Keils.
    - SP 2 converts the expansion force of the ignited medium into a rotating movement (of the spindles). The function takes place according to the laws of the wedge in symbiosis with the ballistic laws of the twist (especially for the optimal use of the extension from v o to v max ). The wedge effect (= leverage effect) is brought about by the use of at least two interlocking spindles in a cylinder function perceiving the housing. The ignited expanding medium presses as a wedge into the toothing between the work spindles, which is then rotated: in which
    P = force
    L = load = pressure perpendicular to the sides of the wedge
    R = width of the back of the wedge
    S = side length of the wedge.
  • - Wirkungsgraderhöhung ist weiter zu erreichen durch unterschiedliche Dimensionierung von SP 1 zu SP 2 oder/und durch Einbau eines Ventils (z. B. Scheiben­ ventil) am Ausgang SP 1 zur Kompressionserhöhung (selbstregulierend = schließend durch Druck der Ver­ brennung, öffnend durch aufgebauten Kompressionsdruck des SP 1 oder/und durch Einbau eines Auspuffventils hinter SP 2 (begünstigt besonders die Startphase).- The increase in efficiency can be further achieved through different dimensions from SP 1 to SP 2 or / and by installing a valve (e.g. disks valve) at output SP 1 to increase compression (self-regulating = closing by pressing the ver burning, opening by built up compression pressure of the SP 1 or / and by installing an exhaust valve behind SP 2 (particularly favors the start phase).
  • - Die Zeitfolge der Zündung wird vom Erreichen der ersten Windungsverzahnung SP 2 durch das komprimierte Medium bestimmt. Dieser Verzahnungspunkt begrenzt zeitlich-punktuell den Kompressionsraum. Die Auslö­ sung der Zündung kann drehzahl- oder druckabhängig selbstregulierend gestaltet werden.- The timing of the ignition is from reaching the first winding toothing SP 2 by the compressed Medium determined. This gear point limits the compression space at specific times. The triggers The ignition solution can be speed or pressure dependent self-regulating.
  • - Ein Ausführungsbeispiel ist anliegend als Zeichnung (Prinzipschema) dargestellt.- An embodiment is attached as a drawing (Principle diagram).

6. Durch die Erfindung zu erzielende Vorteile6. Advantages to be achieved by the invention

Erhebliche Erhöhung des Wirkungsgrades gegenüber her­ kömmlichen Verbrennungsmotoren durch:Significant increase in efficiency compared to conventional combustion engines through:

  • - direkte Umsetzung der Wärmeenergie in rotierende Be­ wegung;- Direct conversion of thermal energy into rotating loading movement;
  • - Verstärkung der Hebelwirkung (Symbiose der Hebelwir­ kungen der Schraube (Spindel) und des Keils mit balli­ stischen Elementen);- Increasing leverage (symbiosis of leverage the screw (spindle) and the wedge with balli elements);
  • - Verbesserung des Masse-Leistungsverhältnisses ein­ schließlich der Verringerung des Trägheitsmoments;- Improve the mass-performance ratio finally reducing the moment of inertia;
  • - Verringerung der Reibungsverluste, da weniger bewegte Teile und überwiegend rollende Reibung gegenüber glei­ tender Reibung;- Reduction of friction losses because less moving Parts and mainly rolling friction compared to the same tender friction;
  • - Herausnahme der Lagerung aus thermisch hoch beanspruch­ ten Zonen. Damit verbunden sind stabilere Toleranzen zwischen bewegten und starren Teilen der Konstruktion als Bedingung für die reibungsverringernde Wirkung des Mediums (Brennstoff);- Removal of the bearing from high thermal stress zones. This is associated with more stable tolerances between moving and rigid parts of the construction as a condition for the friction-reducing effect the medium (fuel);
  • - hohe Energieausnutzung infolge möglicher Optimierung des Verhältnisses vo bis vmax der Verbrennungsausdeh­ nung. Damit Verringerung des Schadstoffausstoßes.- High energy utilization due to possible optimization of the ratio v o to v max of the expansion of the combustion. This will reduce emissions.

Produktionsvereinfachung und bessere Automatisierungsvoraussetzungen u. a. durch einfache selbstregulierende Systeme von Ventil- und Zündungsfunktionen. Wegfall komplizierter mechanischer Produktionselemente wie Kur­ belwelle, Nockenwelle und andere Übertragungs-, Steuer- und Regelungsmechanismen. Damit Zeitverringerung in der Herstellung. Möglichkeit der Herstellung verschieden leistungsstarker Motoren mit gleichen Produktionstei­ len durch Erhöhung der Anzahl gleicher Spindeln.Simplification of production and better automation requirements u. a. through simple self-regulating Systems of valve and ignition functions. Elimination complicated mechanical production elements like cure Belwelle, camshaft and other transmission, control and regulatory mechanisms. So that time reduction in the Manufacturing. Possibility of manufacturing different powerful engines with the same production part len by increasing the number of identical spindles.

Verbesserung der Umweltverträglichkeit und Energieein­ sparung.Improve environmental performance and energy saving.

Claims (4)

1. Mehrspindelverbrennungsmotor, gekennzeichnet dadurch, daß Ansaugen und Komprimie­ ren eines Mediums (Benzin, Öl, Luft) und die Expan­ sion des gezündeten Mediums (Verbrennung) jeweils über mindestens zwei ineinandergreifende Spindeln realisiert werden, und damit die Energie direkt in rotierende Bewegung umgesetzt wird.1. Multi-spindle internal combustion engine, characterized in that suction and compression of a medium (gasoline, oil, air) and the expansion of the ignited medium (combustion) are each realized via at least two intermeshing spindles, and thus the energy is converted directly into a rotating movement . 1.1. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit Ein­ satz unterschiedlich dimensionierter Spindeln bzw. diskontinuierlicher Spindeln zur Optimierung von Kom­ pression und Energieausnutzung.1.1. Multi-spindle internal combustion engine according to claim 1 with Ein set of differently dimensioned spindles or discontinuous spindles to optimize com pression and energy use. 1.2. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit ge­ trennt gelagerten Kompressions- und Arbeitsspindeln, um die Optimierung von Kompression und Energieum­ wandlung durch unterschiedliche Drehzahlen zu rea­ lisieren.1.2. Multi-spindle internal combustion engine according to claim 1 with ge separates stored compression and work spindles, to optimize compression and energy conversion to different speeds lize. 1.3. Mehrspindelverbrennungsmotor nach Anspruch 1 mit selbstregulierenden Ventilen und selbstregulierender Zündung mittels Kompressionsdruck und Expansions­ druck, bzw. in Abhängigkeit von Umdrehungszahlen.1.3. Multi-spindle internal combustion engine according to claim 1 with self-regulating valves and self-regulating Ignition using compression pressure and expansion pressure, or depending on the number of revolutions.
DE19924212921 1992-04-14 1992-04-14 Multiple-shaft IC engine - has intermeshing shaft pairs, one for fuel intake and compression, other for expansion and exhaust Withdrawn DE4212921A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6655344B2 (en) * 2002-03-05 2003-12-02 William F. Sager Rotary gear device

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US6655344B2 (en) * 2002-03-05 2003-12-02 William F. Sager Rotary gear device

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