EP0025071A1 - Reciprocating-piston engine - Google Patents

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Publication number
EP0025071A1
EP0025071A1 EP79103361A EP79103361A EP0025071A1 EP 0025071 A1 EP0025071 A1 EP 0025071A1 EP 79103361 A EP79103361 A EP 79103361A EP 79103361 A EP79103361 A EP 79103361A EP 0025071 A1 EP0025071 A1 EP 0025071A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston engine
engine
piston
eccentric shaft
reciprocating
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP79103361A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Friedhelm Schwarz
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Priority to EP79103361A priority Critical patent/EP0025071A1/en
Publication of EP0025071A1 publication Critical patent/EP0025071A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B57/00—Internal-combustion aspects of rotary engines in which the combusted gases displace one or more reciprocating pistons
    • F02B57/08—Engines with star-shaped cylinder arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01B—MACHINES OR ENGINES, IN GENERAL OR OF POSITIVE-DISPLACEMENT TYPE, e.g. STEAM ENGINES
    • F01B9/00—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups
    • F01B9/04—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft
    • F01B9/042—Reciprocating-piston machines or engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding groups with rotary main shaft other than crankshaft the connections comprising gear transmissions
    • F01B2009/045—Planetary gearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00—Other engines
    • F02B75/16—Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18—Multi-cylinder engines
    • F02B2075/1804—Number of cylinders
    • F02B2075/1816—Number of cylinders four

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating piston engine with cylindrical rotating pistons and rotating cylinders according to the preamble of the main claim.
  • the reciprocating piston engine or Otto engine with piston, piston connecting rod and crankshaft is known, the combustion of the compressed fuel-air mixture being initiated by time-controlled spark ignition.
  • These engines work according to the four-stroke principle, i.e. H. the individual phases of suction, compression, expansion and ejection run separately and in succession.
  • the reciprocating piston engine with the reciprocating movement has the disadvantage that a complete mass balance is not possible.
  • the rotary piston machine which also works according to the four-stroke principle, that is to say also has the individual phases of suction, compression, expansion and ejection, which run separately from one another. and run sequentially. With these engines no means are necessary to convert the reciprocating movement into a rotating movement.
  • the rotary piston engines have the disadvantage that a reliable effective sealing system is very difficult to achieve and with complex means.
  • the invention has for its object to provide a reciprocating piston engine that has a reliable effective sealing system according to the piston with a circular cross-section and allows a complete mass balance.
  • the reciprocating piston engine according to the invention has the advantage over the classic reciprocating piston engine that a complete mass balance is achieved. In addition, a high gas throughput is achieved in relation to the construction volume.
  • 1.2 is a Doppelcxzenterwelle 30 with two 180 ° offset eccentrics in a housing 60, which consists of side windows 20 and a circular outer ring 10, so that the center offset of the shaft bearing corresponds exactly to the eccentricity of the eccentric shaft.
  • a cylinder body 40 with two cylinder bores offset by 90 is also mounted in the side windows 20 of the housing 60. However, this storage is arranged centrally to the housing.
  • two pistons 50 are guided, which are shaped so that the piston ends are suitable for receiving normal piston rings.
  • the central part of the piston 50 is advantageously designed so that it is suitable for receiving the eccentric bearing and only a slight center offset of the two pistons is required.
  • the dead center is given at an angle ⁇ of 180 0th
  • the reciprocating piston engine also works according to the displacement system, in which depending on the direction of rotation, compression takes place on one side and expansion of the enclosed stroke volume on the other side.
  • the cylinder body 40 can be used directly to control the gas exchange.
  • planetary piston engine for example as a compressor, air motor or as an internal combustion engine
  • openings for the gas inlet and the gas outlet are to be provided in the outer ring 10 of the housing 60 in accordance with the work flow, the control times and the desired compression or expansion conditions.
  • the full cylinder head surface is available, whereby the two-stroke principle is system-dependent.
  • the advantage of the planetary piston engine is that exhaust, purging and charging take place in succession as in the four-stroke engine.
  • no effective volume is lost through the use of the cylinder head surface as a gas passage.
  • the planetary piston engine is used as an internal combustion engine, then both the principle of internal combustion as with a gasoline or diesel engine and the principle of external combustion, e.g. for the turbine and the swashplate motor.
  • the non-contact seal requires certain minimum speeds, since the gap losses, which are dependent on the pressure gradient, account for too high a percentage of the gas volume that is passed through at a low throughput volume, so that the efficiency is then adversely affected.
  • the cylinder chambers must be secured against gas loss by a sliding head seal.
  • a special seal is recommended, which has already been used for a special type of radial engine, the so-called Sklenan engine.
  • the inner surface of the outer housing ring 10 is spherical, and the sealing rings arranged around the cylinder bores on the sealing surface are also spherical. Due to the system-related axial center movement of the cylinder bores to the center of the spherical inner surface of the housing in the planetary piston engine, the sealing rings are forced to slide, so-called lapping movement, so that the entire sealing surface is subject to relatively favorable, since even, wear conditions.
  • the sealing ring itself is not slotted and can be designed according to the known principles of pressure relief, so that the gas forces do not cause a specific pressure on the slideway that is higher than that required for the seal.
  • a second, but slotted ring which is arranged under or in the aforementioned sealing ring and is designed as a normal piston ring, ensures that the sliding sealing ring is sealed against the cylinder bore.
  • the planetary piston engine has the advantage over the turbine due to the displacement principle used that gas throughput and speed are linearly related to one another, so that there is no risk of pumping, which can occur in turbo compressors under different load conditions.
  • the speed range is much lower than that of the turbines, so that the use of gear drives for further speed reduction is easily possible.
  • higher pressure drops can be easily withstood in one step.
  • a very particularly significant advantage is the fact that, due to the natural cooling through the alternation of hot and cold cycles, as in the classic reciprocating piston engines, the propellant gases can be run at higher temperatures, which has a favorable effect on the thermal efficiency. It is also advantageous for the cooling that only one surface of the engine parts is swept by the hot propellant gases, so that the counter surfaces are accessible for cooling by air, oil or water. In addition, as with the turbine, the hot propellant gases can be localized by the use of cold blocking air in such a way that overheating of the engine is prevented.
  • Such an interconnection can significantly improve the specific power-to-weight ratio and fuel consumption.

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Abstract

A reciprocating-piston engine having circular, rotary pistons (50) and rotary cylinders (40) is specified, an eccentric shaft (30) being supported by two eccentrics, offset by 180 DEG , in a housing (60) consisting of side discs (20) and a circular outer ring (10) such that the centre displacement of the shaft bearing corresponds precisely to the eccentricity of the eccentric shaft. In this way, a cylinder body (40) is supported by two cylinder bores, displaced by 90 DEG , in the side discs (20) of the housing (60), this bearing being arranged centrally with respect to the housing (60). Two pistons (50) are introduced into the cylinder body (40), the pistons (50) being shaped such that the piston ends are suitable for holding normal piston rings. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Hubkolbentriebwerk mit zylinderförmigen umlaufenden Kolben und umlaufenden Zylindern nach der Gattung des Hauptanspruchs.The invention relates to a reciprocating piston engine with cylindrical rotating pistons and rotating cylinders according to the preamble of the main claim.

Bekannt ist der Hubkolbenmotor oder Otto-Motor mit Kolben, Kolbenpleuel und Kurbelwelle, wobei die Verbrennung des verdichteten Kraftstoff-Luft-Gemisches durch zeitlich gesteuerte Fremdzündung eingeleitet wird. Dabei arbeiten diese Motoren nach dem Viertaktprinzip, d. h. die einzelnen Phasen Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen verlaufen getrennt und zeitlich nacheinander ab. Der Hubkolbenmotor mit der hin- und hergehenden Bewegung hat den Nachteil, daß ein vollständiger Massenausgleich nicht möglich ist.The reciprocating piston engine or Otto engine with piston, piston connecting rod and crankshaft is known, the combustion of the compressed fuel-air mixture being initiated by time-controlled spark ignition. These engines work according to the four-stroke principle, i.e. H. the individual phases of suction, compression, expansion and ejection run separately and in succession. The reciprocating piston engine with the reciprocating movement has the disadvantage that a complete mass balance is not possible.

Weiterhin ist die Rotationskolbenmaschine bekannt, die ebenfalls nach dem Viertaktprinzip arbeitet, also auch die einzelnen Phasen Ansaugen, Verdichten, Expandieren und Ausstoßen aufweist, die getrennt voneinander verlaufen. und zeitlich nacheinander ablaufen. Bei diesen Motoren sind keinerlei Mittel notwendig, um die hin- und hergehende in eine drehende Bewegung umzuwandeln. Die Rotationskolbenmotoren weisen jedoch den Nachteil auf, daß ein zuverlässig wirksames Abdichtungssystem nur sehr schwer und mit aufwendigen Mitteln zu erreichen ist.Furthermore, the rotary piston machine is known, which also works according to the four-stroke principle, that is to say also has the individual phases of suction, compression, expansion and ejection, which run separately from one another. and run sequentially. With these engines no means are necessary to convert the reciprocating movement into a rotating movement. However, the rotary piston engines have the disadvantage that a reliable effective sealing system is very difficult to achieve and with complex means.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hubkolbentriebwerk zu schaffen, daß ein zuverlässig wirksames Abdichtungssystem gemäß dem Kolben mit kreisrundem Querschnitt aufweist und einen vollständigen Massenausgleich ermöglicht.The invention has for its object to provide a reciprocating piston engine that has a reliable effective sealing system according to the piston with a circular cross-section and allows a complete mass balance.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den Merkmalen des Hauptanspruches gelöst.The object is achieved according to the features of the main claim.

Das erfindungsgemäße Hubkolbentriebwerk hat gegenüber dem klassischen Hubkolbenmotor vor allem den Vorteil, daß ein vollständiger Massenausgleich erzielt wird. Darüber hinaus wird in Relation zum Bauvolumen ein hoher Gasdurchsatz erreicht.The reciprocating piston engine according to the invention has the advantage over the classic reciprocating piston engine that a complete mass balance is achieved. In addition, a high gas throughput is achieved in relation to the construction volume.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 1 eine Ansicht eines Hubkolbentriebwerks im Schnitt im verkleinerten Maßstab nach der Erfindung;
  • Fig. 2 eine Seitenansicht nach Fig. 1 eines Hubkolbentriebwerks im Schnitt nach der Erfindung und
  • Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des Bewegungsablaufs eines Hubkolbentriebwerks nach der Erfindung.
Further advantages and details of the invention are explained below with reference to an embodiment shown in the drawing. Show it:
  • Figure 1 is a view of a reciprocating piston engine in section on a reduced scale according to the invention.
  • Fig. 2 is a side view of FIG. 1 of a reciprocating piston engine in section according to the invention and
  • Fig. 3 is a schematic diagram for explaining the sequence of movements of a reciprocating piston engine according to the invention.

Nach Fig. 1,2 ist eine Doppelcxzenterwelle 30 mit zwei um 180° versetzten Exzentern in einem Gehäuse 60, das aus Seitenscheiben 20 und einem kreisförmigen Außenring 10 besteht, so gelagert, daß der Mittenversatz der Wellenlagerung genau der Exzentrizität der Exzenterwelle entspricht. Ein Zylinderkörper 40 mit zwei um 90 versetzten Zylinderbohrungen ist ebenfalls in den Seitenscheiben 20 des Gehäuses 60 gelagert. Diese Lagerung ist jedoch zentrisch zum Gehäuse angeordnet. In dem Zylinderkörper 40 sind zwei Kolben 50 geführt, die so geformt sind, daß die Kolbenenden für die Aufnahme normaler Kolbenringe geeignet sind. Der Mittelteil der Kolben 50 ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß er für die Aufnahme des Exzenterlagers geeignet und nur ein geringer Mittenversatz der beiden Kolben erforderlich ist.1.2 is a Doppelcxzenterwelle 30 with two 180 ° offset eccentrics in a housing 60, which consists of side windows 20 and a circular outer ring 10, so that the center offset of the shaft bearing corresponds exactly to the eccentricity of the eccentric shaft. A cylinder body 40 with two cylinder bores offset by 90 is also mounted in the side windows 20 of the housing 60. However, this storage is arranged centrally to the housing. In the cylinder body 40, two pistons 50 are guided, which are shaped so that the piston ends are suitable for receiving normal piston rings. The central part of the piston 50 is advantageously designed so that it is suitable for receiving the eccentric bearing and only a slight center offset of the two pistons is required.

Gemäß Fig. 3 sind aufgrund der Geometrie folgende Beziehungen gegeben:

Figure imgb0001
Figure imgb0002
und
Figure imgb0003
wobei α der Drehwinkel des Zylinderkörpers, γ der Ergänzungswinkel zu 2 α , Δ der Drehwinkel der Exzenterwell 30, e die Exzentrizität der Exzenterwelle und der Mittenversatz der Wellenlagerung der Exzenterwelle vom Drehzentrum des Zylinderkörpers und M das Drehzentrum des Zylinderkörpers ist.According to FIG. 3, the following relationships exist due to the geometry:
Figure imgb0001
Figure imgb0002
 and
Figure imgb0003
 where α is the angle of rotation of the cylinder body, γ is the supplementary angle to 2 α, Δ is the angle of rotation of the eccentric shaft 30, e is the eccentricity of the eccentric shaft and the center offset of the shaft bearing of the eccentric shaft from the center of rotation of the cylinder body and M is the center of rotation of the cylinder body.

Dabei ist der Totpunkt bei einem Winkel Δ von 1800 gegeben.Here, the dead center is given at an angle Δ of 180 0th

Beim Bewegungsablauf der Triebwerksteile, d.h. der Exzenterwelle 30, des Zylinderkörpers 40 und der Kolben 50, gelten dabei folgende Beziehungen:

  • 1. Drehwinkel der Exzenterwelle = 2 x Drehwinkel des Zylinderkörpers, so daß eine 360° -Drehung der Exzenterwelle nur einer 180°-Drehung des Zylinderkörpers entspricht.
  • 2. Kolbenhub = 4 x Exzentrizität der Exzenterwelle;
  • 3. Kolbengeschwindigkeit = Hub . r ;
  • 4. Kolbenbeschleunigung = ¼ . Hub . ω 2, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit der Exzenterwelle und n die Drehzahl der Exzenterwelle ist.
The following relationships apply to the sequence of movements of the engine parts, ie the eccentric shaft 30, the cylinder body 40 and the piston 50:
  • 1. Rotation angle of the eccentric shaft = 2 x rotation angle of the cylinder body, so that a 360 ° rotation of the eccentric shaft corresponds only to a 180 ° rotation of the cylinder body.
  • 2nd piston stroke = 4 x eccentricity of the eccentric shaft;
  • 3. Piston speed = stroke. r;
  • 4. Piston acceleration = ¼. Stroke. ω 2 , where ω is the angular velocity of the eccentric shaft and n is the speed of the eccentric shaft.

Das Hubkolbentriebwerk arbeitet auch nach dem Verdrängersystem, bei dem abhängig von der Drehrichtung, auf der einen Seite eine Kompression und auf der Gegenseite eine Expansion des eingeschlossenen Hubvolumens stattfindet.The reciprocating piston engine also works according to the displacement system, in which depending on the direction of rotation, compression takes place on one side and expansion of the enclosed stroke volume on the other side.

Im Gegensatz zum klassischen Hubkolbentriebwerk laufen die beiden Takte Kompression und Expansion nicht hintereinander, sondern vielmehr gleichzeitig ab.In contrast to the classic reciprocating piston engine, the two cycles of compression and expansion do not run in succession, but rather run simultaneously.

Aufgrund der oben genannten Beziehungen sind schrittweise folgende Ableitungen zu ziehen:

  • a. Wird eine maximal zulässige Kolbengeschwindigkeit zugrunde gelegt, dann erreicht das erfindungsgemäße Hubkolbentriebwerk die doppelte Drehzahl des bekannten Hubkolbentriebwerks;
  • b. Wird eine maximal zulässige Kolbenbeschleunigung zugrunde gelegt, dann wird mit dem erfindungsgemäßen Hubkolbentriebwcrk die mit dem Faktor √2 multiplizierte höhere Drehzahl im Vergleich zum bekannten Hubkolbentriebwerk erzielt;
  • c. Die Gaskräfte der Expansion- und Kompressionsseite stehen sich unmittelbar am Kolben gegenüber, sp daß der Exzenterantrieb nur mit der Differenz der Kolbenkräfte belastet wird;
  • d. Die durch die wie Planeten umlaufenden Kolben hervorgerufenen Fliehkräfte laufen mit gleichförmiger Winkelgeschwindigkeit synchron mit der Exzenterwelle um und sind durch die 180° - Anordnung der Exzenter nach außen hin aufgehoben. Jedoch verbleibt durch den kleinen axialen Mittenversatz der Kolben ein geringes umlaufendes Kippmoment, das durch die Anbringung kleiner Gegenmassen am Außenzapfen der Exzenterwelle vollständig ausgeglichen werden kann.
Based on the relationships mentioned above, the following derivations are to be drawn step by step:
  • a. If a maximum permissible piston speed is taken as a basis, then the reciprocating piston engine according to the invention achieves twice the speed of the known reciprocating piston engine;
  • b. If a maximum permissible piston acceleration is taken as a basis, then with the invention Reciprocating piston engine achieves the higher speed multiplied by the factor √2 compared to the known reciprocating piston engine;
  • c. The gas forces on the expansion and compression sides face each other directly on the piston, sp that the eccentric drive is only loaded with the difference in the piston forces;
  • d. The centrifugal forces caused by the pistons revolving like planets run at a uniform angular velocity synchronously with the eccentric shaft and are canceled outwards by the 180 ° arrangement of the eccentrics. However, due to the small axial center misalignment of the pistons, a small circumferential tilting moment remains, which can be completely compensated for by the application of small counterweights to the outer journal of the eccentric shaft.

Bei einer Doppelanordnung von zwei solchen sogenannten Planetenkolbentriebwerken wird das Kippmoment auch ohne Gegenmassen systembedingt aufgehoben. Darüber hinaus ist auch eine Verwendung ungleicher oder asymmetrischer Kolben möglich, wobei diese Maßnahme jedoch nicht sonderlich vorteilhaft ist.In a double arrangement of two such so-called planetary piston engines, the overturning moment is canceled even without counterweights due to the system. In addition, it is also possible to use unequal or asymmetrical pistons, although this measure is not particularly advantageous.

Der Zylinderkörper 40 kann unmittelbar zur Steuerung des Gaswechsels herangezogen werden. Dazu sind je nach Verwendungszweck des sogenannten Planetenkolbentriebwerks, zum Beispiel als Verdichter, Luftmotor oder als Verbrennungsmotor, im Außenring 10 des Gehäuses 60 entsprechend dem Arbeitsablauf, den Steuerzeiten und den gewünschten Verdichtungs- oder Expansionsverhältnissen, Öffnungen für den Gaseinlaß und den Gasauslaß vorzusehen. Dabei steht für den Gasdurchtritt die volle Zylinderkopffläche zur Verfügung, wobei das Zweitaktprinzip systembedingt ist. Gegenüber der bekannten Gaswechselsteuerung des klassischen Zwei-Takt-Hubkolbenmotors mit Zylinderschlitzen besteht jedoch beim Planetenkolbentriebwerk der Vorteil, daß Auspuffen, Spülen und Laden wie beim Viertaktmotor hintereinander ablaufen. Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß durch die Verwendung der Zylinderkopffläche als Gasdurchtritt kein wirksames Volumen verlorengeht.The cylinder body 40 can be used directly to control the gas exchange. Depending on the intended use of the so-called planetary piston engine, for example as a compressor, air motor or as an internal combustion engine, openings for the gas inlet and the gas outlet are to be provided in the outer ring 10 of the housing 60 in accordance with the work flow, the control times and the desired compression or expansion conditions. Where stands for the full cylinder head surface is available, whereby the two-stroke principle is system-dependent. Compared to the known gas exchange control of the classic two-stroke reciprocating piston engine with cylinder slots, however, the advantage of the planetary piston engine is that exhaust, purging and charging take place in succession as in the four-stroke engine. In addition, there is the advantage that no effective volume is lost through the use of the cylinder head surface as a gas passage.

Wird das Planetenkolbentriebwerk als Verbrennungsmotor verwendet, dann kann sowohl das Prinzip der inneren Verbrennung wie beim Otto- oder Dieselmotor als auch das Prinzip der äußeren Verbrennung, wie z.B. bei der Turbine und beim Taumelscheibenmotor, verwendet werden.If the planetary piston engine is used as an internal combustion engine, then both the principle of internal combustion as with a gasoline or diesel engine and the principle of external combustion, e.g. for the turbine and the swashplate motor.

Die aufgrund der Besonderheiten des Planetenkolbentriebwcrks möglichen hohen Drehzahlen ergeben hohe Umfangsgeschwindigkeiten am Zylinderkörper 40. Für ein schnelles öffnen und Schließen der Gaskanäle sind beim Gaswechselvorgang hohe Geschwindigkeiten am Steuerteil erwünscht. Wie bei der Turbine bedingen die hohen Geschwindigkeiten jedoch eineberührungsfreie Abdichtung. Hierfür bietet das Planetenkolbentriebwerk gute Voraussetzungen, da

  • I. in Umfangsrichtung durch die 90°-Anordnung der Zylinder eine Zweistufigkeit des Druckfeldaufbaus gegeben ist;
  • II. zwischen den Zylinderräumen relativ lange Spaltstrecken zur Verfügung stehen und
  • III. in Radialrichtung die Seitenscheiben 20 mit den dem Druckfeldaufbau entsprechenden Labyrinthnuten ausgerüstet werden können.
The high speeds that are possible due to the peculiarities of the planetary piston engine result in high peripheral speeds on the cylinder body 40. For the gas opening process to open and close quickly, high speeds are desirable on the control part. As with the turbine, however, the high speeds require a non-contact seal. The planetary piston engine offers good conditions for this, because
  • I. In the circumferential direction by the 90 ° arrangement of the cylinders, there is a two-stage construction of the pressure field;
  • II. Relatively long gap distances are available between the cylinder spaces and
  • III. in the radial direction, the side windows 20 can be equipped with the labyrinth grooves corresponding to the pressure field structure.

Dabei bedingt die berührungslose Abdichtung jedoch gewisse Mindestdrezahlen, da die vom Druckgefälle abhängigen Spaltverluste bei niedrigem Durchsatzvolumen einen zu hohen Prozentsatz des durchgesetzten Gasvolumens ausmachen, so daß dann der Wirkungsgrad ungünstig beeinflußt wird.However, the non-contact seal requires certain minimum speeds, since the gap losses, which are dependent on the pressure gradient, account for too high a percentage of the gas volume that is passed through at a low throughput volume, so that the efficiency is then adversely affected.

Wenn das Planetenkolbentriebwerk als Langsamläufer oder bei mittelschnellen Drehzahlen verwendet, wird, dann sind die Zylinderräume durch eine schleifende Kopfabdichtung gegen Gasverluste abzusichern. Dabei empfiehlt sich eine besondere Dichtung, die bereits bei einer speziellen Art von Sternmotoren, den sogenannten Sklenannotoren, angewendet wurde. Bei dieser besonderen Dichtungsart ist die Innenfläche des Gehäuseaußenringes 10 kugelförmig ausgebildet, die um die Zylinderbohrungen angeordneten Dichtungsringe an der Dichtiläche ebenfalls kugelförmig ausgeformt sind. Infolge des im Planetenkolbentriebwerk systembedingten axialen Mittenwersatzes der Zylinderbolrungen zum Zentrum der kugeligen Innenfläche des Gehäuses sind die Dichtungsringe beim Gleiten auf der Innenfläche zu einer zusätzlichen Bewegung, einer sogenannten Läppbewegung, gezwungen, so daß die gesamte Dichtfläche relativ günstigen, da gleichmäßigen Verschleißbedingungen unterliegt. Der Dichtungsring selbst ist nicht geschlitzt und kann nach den bekannten Prinzipien der Druckentlastung gestaltet sein, so daß die Gaskräfte keine höhere, als für die Abdichtung erforderlich, spezifische Pressung auf der Gleitbahn hervorrufen. Ein zweiter, jedoch geschlitzter Ring, der unter oder im zuvor genannten Dichtungsring angeordnet und als normaler Kolbenring ausgelegt ist, sorgt für eine Abdichtung des gleitenden Dichtungsringes gegen die Zylinderbohrung.If the planetary piston engine is used as a slow-speed engine or at medium-speed speeds, then the cylinder chambers must be secured against gas loss by a sliding head seal. A special seal is recommended, which has already been used for a special type of radial engine, the so-called Sklenan engine. In this particular type of seal, the inner surface of the outer housing ring 10 is spherical, and the sealing rings arranged around the cylinder bores on the sealing surface are also spherical. Due to the system-related axial center movement of the cylinder bores to the center of the spherical inner surface of the housing in the planetary piston engine, the sealing rings are forced to slide, so-called lapping movement, so that the entire sealing surface is subject to relatively favorable, since even, wear conditions. The sealing ring itself is not slotted and can be designed according to the known principles of pressure relief, so that the gas forces do not cause a specific pressure on the slideway that is higher than that required for the seal. A second, but slotted ring, which is arranged under or in the aforementioned sealing ring and is designed as a normal piston ring, ensures that the sliding sealing ring is sealed against the cylinder bore.

Nachfolgend seien einige Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes genannt:

  • Das Planetenkolbentriebwerk kann als Kompressor wie auch als Motor und darüber hinaus auch in einer Kombinationseinheit gleichzeitig zusammen als Kompressormotor verwendet werden. Wie bei der Turbine und beim Verbrennungsmotor lassen sich mit der entsprechenden Kombination alle denkbaren Kreisprozesse durchführen.
Some possible uses of the subject matter according to the invention are mentioned below:
  • The planetary piston engine can be used as a compressor as well as a motor and, in addition, in a combination unit simultaneously as a compressor motor. As with the turbine and the combustion engine, all conceivable cycle processes can be carried out with the appropriate combination.

Dabei weist das Planetenkolbentriebwerk gegenüber der Turbine infolge des angewendeten Verdrängerprinzips den Vorteil auf, daß Gasdurchsatz und Drehzahl in linearer Beziehung zueinander stehen, so daß eine Pumpgefahr, die bei Turboverdichtern unter verschiedenen Lastbedingungen auftreten kann, nicht gegeben ist. Darüber hinaus liegt der Drehzahlbereich sehr viel niedriger als bei den Turbinen, so daß die Verwendung von Zahnradgetrieben zur weiteren Drehzahlminderung ohne weiteres möglich ist. Des weiteren können infolge der längeren Abdichtungsspalte in einer Stufe auch höhere Druckgefälle ohne weiteres überstanden werden.Here, the planetary piston engine has the advantage over the turbine due to the displacement principle used that gas throughput and speed are linearly related to one another, so that there is no risk of pumping, which can occur in turbo compressors under different load conditions. In addition, the speed range is much lower than that of the turbines, so that the use of gear drives for further speed reduction is easily possible. Furthermore, due to the longer sealing gaps, higher pressure drops can be easily withstood in one step.

Ein ganz besonders wesentlicher Vorteil zeigt sich jedoch darin, daß infolge der natürlichen Kühlung durch den Wechsel von Heiß - und Kalttakt wie bei den klassischen Hubkolbenmotoren die Treibgase mit höheren Temperaturen gefahren werden können, wodurch der thermische Wirkungsgrad günstig beeinflußt wird. Darüber hinaus ist für die Kühlung von Vorteil, daß nur jeweils eine Fläche der Triebwerkteile von den heißen Treibgasen überstrichen wird, so daß die Gegenflächen für die Kühlung durch Luft, Öl-oder Wasser zugänglich sind. Außerdem können die heißen Treibgase wie bei der Turbine durch die Verwendung von kalter Sperriuft so lokalisiert werden, daß eine Überhitzung des Triebwerks verhindert wird.A very particularly significant advantage, however, is the fact that, due to the natural cooling through the alternation of hot and cold cycles, as in the classic reciprocating piston engines, the propellant gases can be run at higher temperatures, which has a favorable effect on the thermal efficiency. It is also advantageous for the cooling that only one surface of the engine parts is swept by the hot propellant gases, so that the counter surfaces are accessible for cooling by air, oil or water. In addition, as with the turbine, the hot propellant gases can be localized by the use of cold blocking air in such a way that overheating of the engine is prevented.

Weiter besteht gegenüber dem klassischen Hubkolbemotor beim Planetenkolbentriebwerk der Vorteil des absoluten Massenausgleichs und des in Itelation zum Bauvolumen hohen Luftdurchsatzes.Furthermore, compared to the classic reciprocating piston engine in the planetary piston engine, there is the advantage of absolute mass balancing and the high air throughput in relation to the construction volume.

Es ist auch angezeigt, das Planetenkolbentriebwerk als Vorverdichtungs- und Nachexpansionsstufe eines normalen Verbrennungsmotors einzusetzen.It is also appropriate to use the planetary piston engine as the pre-compression and post-expansion stage of a normal internal combustion engine.

Für Fahrzeugantriebe bietet sich in vorteilhafterweise die Verwendung einer Kombination von Vier- oder Zweitaktdiesel mit einem Planetenkolbentriebwerk und einem Turbolader an, wobei vorzugsweise nach folgendem Verfahren zu arbeiten ist:

  • Von dem mit etwa 2 bis 4-facher Drehzahl eines Dieselmotors umlaufenden Planetenkolbentriebwerk wird vorverdichtete Luft an den Dieselmotor geliefert. Das innere Verdichtungsverhältnis des Dieselmotors wird dabei so stark herabgesetzt, daß für die Verbrennung im Dieselmotor etwa die doppelte Luftmenge zur Verfügung steht. Die infolge der Herabsetzung des Verdichtungsverhältnisses im Dieselmotor energiereicheren Abgase treiben einen Turbolader an, der seine Ladeluft vollständig an die Expansionsseite des Planetenkolbentriebwerks abgiebt. Infolge der gleichzeitigen Verwendung des Planetenkolbentriebwerks als Kompressions-und Expansionsstufe sind günstige Wirkungsgrade zu erzielen, so daß der mit dem Dieselmotor gekoppelte Planetenkolbenkompressor nicht zuerst zum Leistungsverbraucher, sondern vielmehr zum Leistungssp/ender wird.
For vehicle drives, it is advantageous to use a combination of four- or two-stroke diesel with a planetary piston engine and a turbocharger, the following method preferably being used:
  • Pre-compressed air is supplied to the diesel engine from the planetary piston engine rotating at about 2 to 4 times the speed of a diesel engine. The internal compression ratio of the diesel engine is reduced so much that approximately twice the amount of air is available for combustion in the diesel engine. The exhaust gases, which are more energetic as a result of the reduction in the compression ratio in the diesel engine, drive a turbocharger which emits its charge air completely to the expansion side of the planetary piston engine. As a result of the simultaneous use of the planetary piston engine as a compression and expansion stage, favorable efficiencies can be achieved, so that the planetary piston compressor coupled to the diesel engine does not first become a power consumer, but rather a power donor.

Durch eine derartige Zusammenschaltung können das spezifische Leistungsgewicht und der Brennstoffverbrauch wesentlich verbessert werden.Such an interconnection can significantly improve the specific power-to-weight ratio and fuel consumption.

Claims (2)

1. Hubkolbentriebwerk mit kreisrunden, umlaufenden Kolben und umlaufenden Zylindern, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein Kolben (50) auf einer Exzenterwelle (30) gelagert ist und daß die Exzenterwellenlagerung zum Mittenzentrum des Zylinders (40) so versetzt ist, daß der Abstand dem Maß der Exzentrizität des Exzenters entspricht.1. reciprocating piston engine with circular, rotating pistons and rotating cylinders, characterized in that at least one piston (50) is mounted on an eccentric shaft (30) and that the eccentric shaft bearing is offset from the center of the cylinder (40) so that the distance is the measure corresponds to the eccentricity of the eccentric. 2. Hubkolbentriebwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zwei um 90° versetzte Kolben (50) auf einer Exzenterwelle (30) mit um 180° versetzten Exzentern so gelagert sind, daß der Abstand der Exzenterwellenlagerung vom Drehzentrum der umlaufenden Zylinder dem Maß der Exzentrizität der Exzenter entspricht.2. Reciprocating engine according to claim 1, characterized in that two pistons (50) offset by 90 ° are mounted on an eccentric shaft (30) with 180 ° offset eccentrics so that the distance of the eccentric shaft bearing from the center of rotation of the rotating cylinder corresponds to the degree of eccentricity the eccentric corresponds.
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