EP2205832A1 - Piston engine - Google Patents

Piston engine

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Publication number
EP2205832A1
EP2205832A1 EP08844218A EP08844218A EP2205832A1 EP 2205832 A1 EP2205832 A1 EP 2205832A1 EP 08844218 A EP08844218 A EP 08844218A EP 08844218 A EP08844218 A EP 08844218A EP 2205832 A1 EP2205832 A1 EP 2205832A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
rotation
axis
pistons
cam member
Prior art date
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Granted
Application number
EP08844218A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2205832B1 (en
Inventor
Herbert Hüttlin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huettlin Herbert
Original Assignee
Huettlin Herbert
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Filing date
Publication date
Application filed by Huettlin Herbert filed Critical Huettlin Herbert
Publication of EP2205832A1 publication Critical patent/EP2205832A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP2205832B1 publication Critical patent/EP2205832B1/en
Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C9/00Oscillating-piston machines or engines
    • F01C9/002Oscillating-piston machines or engines the piston oscillating around a fixed axis
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/008Driving elements, brakes, couplings, transmissions specially adapted for rotary or oscillating-piston machines or engines

Definitions

  • the invention relates to a piston engine, comprising a housing in which at least a first piston is arranged, which is reciprocable between two end positions and to periodically enlarge and reduce a working chamber adjacent to a first end surface of the at least one first piston, wherein the at least one first piston having at least one guide member engaging a cam formed on a cam member disposed in the housing, the cam member concentrically and circumferentially extending around a housing fixed axis of rotation in the housing and radially outwardly of the piston with respect to the axis of rotation wherein the at least one first piston faces a second piston that performs reciprocal reciprocating movements toward the first piston, the second piston having a second end surface facing the first end surface of the first piston, and the working chamberlocated between the end faces.
  • Such a piston machine is known for example from WO 2006/122658 Al.
  • a piston engine according to the present invention can be used in particular as an internal combustion engine.
  • the use of the reciprocating engine as an internal combustion engine is shown as the preferred use.
  • other applications of a piston engine according to the present invention are possible, for example the use of the piston engine as a compressor.
  • the piston machine known from the above document is a rotary piston machine.
  • a total of four pistons are arranged, which rotate together about a housing-fixed axis of rotation.
  • the four pistons perform reciprocating motions, with two pistons forming a pair of pistons making reciprocal reciprocal reciprocations to alternately displace a working chamber defined between the end surfaces of the two pistons of the piston pair zoom in and out.
  • the known rotary piston machine on two working chambers, wherein the working chambers in the same direction to reduce and enlarge.
  • the four pistons are slidably mounted in a piston cage, which rotates together with the piston about the axis of rotation.
  • the reciprocating movements of the individual pistons are thereby derived from the rotation of the pistons about the axis of rotation by the pistons each having a guide member which runs in a control cam of a housing-fixed cam member, wherein the control cam has a corresponding wavy contouring to the out - And forthcoming movements of the piston from the rotation of the piston to derive about the axis of rotation.
  • the rotation of the piston cage can be transmitted to an output shaft, for example, to drive a vehicle.
  • a radial piston high-pressure pump in particular as a fuel pump for injection systems of internal combustion engines, is also known.
  • This high-pressure pump comprises a pump head on radially movable pump pistons whose reciprocating motion by a surrounding "pump piston rotatable cam ring are produced, which has a correspondingly contoured cam track.
  • the invention has the object of developing a piston engine of the type mentioned in such a way that the operating characteristics of the piston engine are improved.
  • this object is achieved with respect to the piston engine mentioned above in that the cam member is rotatably mounted about the axis of rotation in the housing, while the at least one first piston and the second piston are not rotatable about the axis of rotation, so that at least a first piston and the second piston during rotation of the cam member about the rotational axis reciprocating movements in a fixed axis of rotation with respect to the movement plane.
  • the piston engine according to the invention is detached from the concept of rotary piston engines in that the reciprocating movements of the piston or pistons are not derived from a rotational movement of the piston or pistons about the axis of rotation, but from a rotation of the cam member about the axis of rotation the piston or pistons do not rotate with respect to the axis of rotation. Centrifugal forces with respect to the axis of rotation on the piston or pistons are thus excluded.
  • the at least one first piston performs its reciprocating movements in a fixed plane of rotation with respect to the axis of rotation, while in the known rotary piston machines, the plane of movement of the reciprocating movements of the individual pistons also rotates about the axis of rotation.
  • the piston engine according to the invention also manages with substantially fewer rotating parts than the known rotary piston machines, because the rotation of the piston or pistons is dispensed with, and only the lower-mass cam member executes a rotational movement in order to produce the reciprocating movements of the piston or pistons ,
  • the concept of the piston engine according to the invention is advantageously applied in an embodiment in which the at least one first piston faces a second piston which performs opposite reciprocating motions when the cam member is rotated relative to the first piston, the second piston having a second end surface. which faces the first end surface of the first piston, and the working chamber in which a working gas, in particular a fuel-air mixture, compressed, ignited and expanded, is located between the end surfaces.
  • This boxer principle known per se, for example, from the document mentioned above, in which the two pistons work against one another, has the advantage that, with a comparatively small stroke of the two pistons, a large breathing volume of the working chamber is achieved.
  • the second piston on a guide member which is in engagement with the control cam of the cam member.
  • the reciprocating movements of the two opposing pistons are independently derived from the rotation of the cam member about the axis of rotation. This has the advantage that no mechanical coupling between the two pistons has to be provided to produce the reciprocating movements of the second piston. In addition, only one control cam in the cam member is required for the first and second pistons.
  • the axis of rotation runs centrally through the working chamber.
  • This measure has the advantage that, in the case of using the piston engine according to the invention as the internal combustion engine at the front side in the housing and on the axis of rotation lying an ignition device for igniting the fuel-air mixture can be arranged in the working chamber.
  • an arrangement of the ignition device on the axis of rotation is provided for example in the known rotary piston machine according to WO 2006/122658 Al, but there is the disadvantage that the ignition device is performed through a hole in the rotating piston cage, resulting in sealing problems between the ignition device and the can lead rotating piston cage.
  • the ignition device can be performed by the housing and thus by a fixed part and easily sealed.
  • the at least one first piston is slidably mounted in a piston cage, which is fixed relative to the housing.
  • the inclusion of the at least one first piston in a piston cage has the advantage that the piston may have a cylindrical shape so that the first end surface of the at least one first piston may be circular, and the piston slidably supported in a circular bore in the piston cage can be.
  • the piston may have a cylindrical shape so that the first end surface of the at least one first piston may be circular, and the piston slidably supported in a circular bore in the piston cage can be.
  • a shaft is in operative connection with the cam member, such that the rotation of the cam member is converted into a rotation of the shaft.
  • the tap of the rotational movement for example for driving a vehicle, is advantageously carried out here by the rotating cam member, so that the rotation of the Curve member can be transmitted directly into a rotation of the shaft, which avoids complicated transmission gear.
  • the shaft is connected via a worm toothing with the cam member.
  • the shaft may advantageously be directly in engagement with the outside of the cam member, thereby saving further moving parts between the cam member and the shaft.
  • the shaft is preferably arranged perpendicular to the axis of rotation.
  • a gas inlet and a gas outlet are present in the housing with respect to the axis of rotation at the front side, wherein the gas inlet and the gas outlet by means of a rotary valve having an opening, released and closed, which is about the axis of rotation with the same Speed as the cam member rotates.
  • the piston engine according to the invention advantageously makes it possible for the gas inlet and the gas outlet to be provided in the immediate vicinity of the axis of rotation in the frontal part of the housing without the gas inlet and the gas outlet colliding with, for example, a rotating part.
  • a gas such as a fuel-air mixture in the working chamber
  • a gas such as combusted fuel air Mixture
  • Such a transmission can in turn be formed by a worm gear between the outer side of the cam member and a drive shaft for the rotary valve as in the case of the above-mentioned shaft.
  • a total of four pistons are arranged in the housing, of which the at least first and a second piston, a first piston pair and a third and a fourth piston form a second piston pair, wherein the second piston pair defines a second working chamber, which with the Working chamber defined by the first pair of pistons is in a plane, wherein the reciprocating movements of the first and third pistons are rectified, and wherein the reciprocating movements of the second and fourth pistons are rectified.
  • the third and the fourth piston each have a guide member, wherein the two guide members engage in a further control cam of the cam member.
  • first and third pistons are connected to each other on their sides facing each other, and the second and fourth pistons are also connected to each other on their sides facing each other.
  • FIG. 1 shows a piston machine according to the invention in a longitudinal sectional view in a first sectional plane along the axis of rotation.
  • FIG. 2 shows the piston machine in FIG. 1 in a longitudinal section along a sectional plane along the axis of rotation, but perpendicular to the sectional plane in FIG. 1, partly with openings;
  • FIG. 3 shows the piston machine in FIG. 1 in a longitudinal section according to FIG. 2, the pistons being in a different operating position relative to FIGS. 1 and 2;
  • FIG. 4 shows the piston machine in FIG. 1 in a representation comparable to FIG. 3, the pistons being in a further operating position;
  • FIG. 4 shows the piston machine in FIG. 1 in a representation comparable to FIG. 3, the pistons being in a further operating position;
  • Fig. 5 is an end view of the piston engine in Fig. 1;
  • FIG. 6 shows a cam member of the piston engine in FIG. 1 in a fragmentary perspective illustration together with the pistons of the piston engine, the pistons being in a first operating position
  • FIG. 7 shows the arrangement of FIG. 6, wherein the pistons are in a changed operating position compared with FIG. 6;
  • Fig. 8 is a diagram illustrating the power stroke sequence in two parallel piston machines according to FIG. 1.
  • a provided with the general reference numeral 10 piston machine is shown. Further details of the piston engine are shown in FIGS. 6 and 7.
  • the piston engine 10 serves in the present embodiment as an internal combustion engine, for example for use in a motor vehicle.
  • the piston engine 10 has a housing 12, which is composed of a plurality of housing segments.
  • the housing 12 has a substantially spherical symmetry, but is not limited thereto.
  • the housing 12 has a first end-side housing segment 16 and this opposite a second end-side housing segment 18 and in the circumferential direction about the rotation axis 14 one or more housing segments 20 as the main components of the housing 12.
  • a total of four pistons are arranged, namely a first piston 22, a second piston 24, a third piston 26 and a fourth piston 28th
  • All four pistons 22 to 28 are arranged in a common plane, as is apparent in particular from FIGS. 2 to 4.
  • the first piston 22 has a first end surface 30, the second piston 24 has a second end surface 32, the third piston 26 has a third end surface 34 and the fourth piston 28 has a fourth end surface 36.
  • the first piston 22 and the second piston 24 define between their respective end surfaces 30 and 32 a first working chamber 38, and the third piston 26 and the fourth piston 28 define between their end surfaces 34 and 36 a second working chamber 40.
  • the pistons 22 to 28 carry out reciprocating movements in the housing 12, whereby these reciprocating movements take place here as pivoting movements about a pivot axis 41, which runs perpendicular to the abovementioned axis of rotation 14 and is stationary relative to the housing 12.
  • the pistons 22 to 28 are here correspondingly curved cylindrical. It is understood that the pistons 22 to 28 can perform in a modified embodiment, instead of pivoting movements and linear reciprocating movements perpendicular or oblique to the axis of rotation and then need not be correspondingly curved.
  • a cam member 42 is further arranged in the housing 12.
  • the cam member 42 is formed as circumferentially circumferentially closed around the rotation axis 14 and formed, and is located with respect to the pistons 22 to 28 viewed from the rotation axis 14 radially outward of the pistons 22 to 28 and approximately centrally between the front housing segments 16 and 18 and approximately in the center of the housing 12th
  • the cam member 42 is rotatably supported in the housing 12 about the rotation axis 14 by means of two ring bearings 44, 46.
  • the cam member 42 can thus rotate about the axis of rotation 14 to be understood as a geometric axis in the housing 12, wherein the rotation of the cam member 42 serves to generate the reciprocating movements of the pistons 22 to 28.
  • the cam member 42 has a first control cam 48 and a second control cam 50, wherein the two control cams 48, 50 are arranged axially adjacent to each other with respect to the axis of rotation and each extend fully around the axis of rotation 14.
  • control cam 48 With the control cam 48 is a guide member 52 which is connected to the first piston 22, and a guide member 54 which is connected to the second piston 24 in engagement.
  • control cam 50 With the control cam 50 is a guide member 56 which is connected to the third piston 26, and a guide member 58 which is connected to the fourth piston 28, in engagement.
  • the guide members 52 to 58 are formed as rollers and arranged on the respective end faces 30 to 36 facing away from the back of the piston 22 to 28.
  • this is rotatably mounted on the piston 22 via a journal 60, which is fixedly connected to the piston 22.
  • the guide members 52 to 58 may be formed instead of by rollers as in the embodiment shown also by ball cups in the pistons 22 to 28 mounted balls, or by sliding shoes or other shaped rollers.
  • the pistons 22 to 28 are also slidably mounted in a piston cage 62, which is fixed with respect to the axis of rotation 14 in the housing 12, so is rotatably connected to the housing 12.
  • the piston cage 62 has for the first piston 22 and the second piston 24 has a circular bore 64 here, as well as for the third piston 26 and the fourth piston 28 is also a circular bore 66, so that the piston 22 and 24 in the bore 64 and the pistons 26 and 28 are slidably mounted in the bore 66.
  • the pistons 22 to 28, which are preferably circular in cross-section, can thus be sealed in the bores 64 and 66 via circular seals (for example seals 68 of the piston 22 in FIG. 3) so that the working chambers 38 and 40 are sealed.
  • the peripheral walls of the bores 64 and 66 bound together with the end surfaces 30, 32 and 34, 36, the working chambers 38 and 40, so that the working chambers 38 and 40 have substantially the shape of a cylinder.
  • Each of the pistons 22 to 28 carries out its reciprocating movements between two end positions, wherein the movement of the pistons 22 to 28 always takes place in the same plane of motion, for the four pistons 22 to 28 in FIGS. 2 to 4 the plane of the drawing is.
  • the pistons 22 to 28 thus do not run around the axis of rotation 14 as in the known rotary piston machines.
  • the pistons 22 to 28, however, are always in a substantially central plane in the housing 12th
  • the first piston 22 and the second piston 24 perform mutually opposite movements, and the third piston 26 and the fourth piston 28 also perform mutually opposite movements.
  • the reciprocating movements of the first piston 22 are rectified to those of the third piston 26, and the reciprocating movements of the second piston 24 are rectified with those of the fourth piston 28.
  • Fig. 2 the first piston 22 and the second piston 24 are shown in their end position, which is referred to as top dead center (TDC), in which the pistons 22 and 24 have moved toward each other maximum and the working chamber 38 corresponding to a minimum volume having.
  • TDC top dead center
  • Fig. 3 shows an intermediate position of the pistons 22 and 24 or 26 and 28, in which the pistons 22 to 28 have moved from their respective end position in Fig. 2 by half each in the direction of the other end position.
  • the transition from FIG. 2 to FIG. 3 is based on a 90 ° rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14.
  • Fig. 4 shows, after a further 90 ° rotation starting from Fig. 3, the opposite to Fig. 2 situation in which the pistons 22 and 24 have reached their BDC position, while the pistons 26 and 28 have reached their TDC position ,
  • Fig. 6 the TDC position of the pistons 22 and 24 and the simultaneous BDC position of the pistons 26 and 28 together with the associated rotational position of the cam member 42 is shown in perspective, and in Fig. 7, the reverse case, i. the TDC position of the pistons 22 and 24 and the BDC position of the pistons 26 and 28.
  • the first piston 22 and the third piston 26 are connected to each other on their rear surfaces facing away from the end surfaces 30 and 34, preferably elastically, for example via a tension spring 68, and the second piston 24 and the fourth piston 28 are also preferably connected elastically, For example, via a tension spring 70.
  • the connection between the first piston 22 and the third piston 26 and the connection between the second piston 24 and the fourth piston 28 causes a mutual drag or entrainment effect between the first piston 22 and the third piston 26 or between the second piston 24 and the fourth piston 28, whereby the guide members 52 to 58 are securely held in contact with the control cam 48 and 50 of the cam member 42.
  • the elastic connection between the pistons 22 and 26 or 24 and 28 allows a slight elastic distance clearance between these pistons.
  • the cam member 42 In order to use the rotation of the cam member 42 during operation of the piston engine 10 as a driving force, the cam member 42 is in operative connection with a shaft 72 (FIG. 1). In Fig. 2 to 4 end portions 74, 76 of the shaft 72 are shown, to the For example, the drive train of a vehicle or units can be connected.
  • the cam member 42 has, according to FIGS. 6 and 7 on the outside a worm gear 78, and the shaft 72 has a corresponding external toothing, which meshes with the worm gear 78 of the cam member 42, such that upon rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14, the shaft 72 is set in rotation about its longitudinal central axis.
  • the shaft 72 extends in this particularly simple embodiment, which requires only a toothing on these two parts and no other parts of a transmission for rotational transmission between the cam member 42 and the shaft 72, perpendicular to the axis of rotation 14th
  • the first working chamber 38 is associated with a gas inlet 80 and a gas outlet 82, wherein the gas inlet 80 and the gas outlet 82 are arranged in the immediate vicinity of the rotational axis 14 in the front-side housing segment 16.
  • the working chamber 40 is correspondingly associated with a gas inlet 84 and a gas outlet 86 in the housing segment 86.
  • a mixture of fresh air and fuel which is supplied via the fuel supply device 88, for example an injection nozzle, into the working chamber 38 can be introduced through the gas inlet 80.
  • the fuel can also be injected just before reaching the BDC position.
  • the pistons then move back to the TDC position, then the mixture is compressed.
  • the mixture can then be ignited by means of an igniter 92, such as a spark plug, whereupon the pistons 22 and 24 are moved apart explosively, ie, the expansion stroke takes place.
  • the burnt mixture is then expelled via the gas outlet 82, as is known in a four-stroke engine.
  • a corresponding ignition device 94 is provided for the working chamber 40.
  • a rotary valve 96 is disposed in the housing 12, and for closing the gas inlet 84 and the gas outlet 86, a rotary valve 98 is disposed in the housing 12.
  • the two rotary valves 96 and 98 each have only one circumferentially limited about the axis of rotation 14 opening, wherein in Fig. 1, an opening 100 of the rotary valve 98 can be seen.
  • Both rotary valves 96 and 98 are rotatably mounted about the axis of rotation 14 in the housing 12, wherein the rotary valves 96 and 98 rotate at the same speed as the cam member 42 about the axis of rotation 14.
  • the rotation of the rotary valve 96 and 98 is derived from the rotation of the cam member 42 which is connected to the rotary valves 96 and 98 via a gear 102, which transmits the rotational speed of the cam member 42 1: 1 in the rotational speed of the rotary valve 96 and 98.
  • the gearbox 102 has a shaft 104 which meshes with the external toothing 78 of the cam member 42 via a toothed wheel 106 in order to set the shaft 104 in rotation about its longitudinal axis, the shaft 104 bearing end gears 108, 110 which mesh with gears 112, 114, which in turn mesh with external teeth on the rotary valves 96, 98.
  • the starting point of the description is the TDC position of the pistons 22 and 24 and, consequently, the UT position of the pistons 26 and 28.
  • the working chamber 38 thus has a minimum volume and the working chamber 40 has a maximum volume.
  • the first piston engine 10 are phase-shifted by 90 ° to each other, can be a total of a piston machine realize in each revolution of the then two cam members by 90 ° a working cycle of working (expanding) takes place, so that in this way a complete sequence of four Cycles of working (expanding) in a revolution of 360 ° as an 8-cylinder engine takes place.

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Abstract

A piston engine (10) comprises a housing (10) inside which at least one first piston (22) is arranged that can be moved back and forth between two final positions in order to periodically increase and reduce the size of a working chamber (38) bordering a first end face (30) of the at least one first piston (22). The at least one first piston (22) has at least one guiding member (52) which meshes with a radial cam (48) that is designed on a cam member (42) located inside the housing (12). The entire circumference of the cam member (42) inside the housing (12) concentrically extends around an axis of rotation (14) that is fixed relative to the housing (12), the cam member (42) being disposed radially outside the piston (22) in relation to the axis of rotation (14). A second piston (24) which faces the at least one first piston (22) performs opposite reciprocating movements relative to the first piston (22). The second piston (24) has a second end face (32) which faces the first end face (30) of the first piston (22). The working chamber (38) is located between the end faces (30, 32). The cam member (42) is mounted inside the housing (12) in such a way as to be rotatable about the axis of rotation (14), while the at least one first piston (22) and the second piston (24) cannot be rotated about the axis of rotation (14) such that the at least one first piston (22) and the second piston (24) perform reciprocating movements on a plane of movement that is fixed relative to the axis of rotation (14) when the cam member (42) rotates about the axis of rotation (14).

Description

Kolbenmaschine piston engine
Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem zumindest ein erster Kolben angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen hin- und herbeweglich ist, um eine an eine erste Endfläche des zumindest einen ersten Kolbens angrenzende Arbeitskammer periodisch zu vergrößern und zu verkleinern, wobei der zumindest eine erste Kolben zumindest ein Führungsglied aufweist, das mit einer an einem in dem Gehäuse angeordneten Kurvenglied ausgebildeten Steuerkurve in Eingriff steht, wobei sich das Kurvenglied in dem Gehäuse konzentrisch und vollumfänglich um eine gehäusefeste Drehachse herum erstreckt und bezüglich der Drehachse radial außerhalb des Kolbens angeordnet ist, wobei dem zumindest einen ersten Kolben ein zweiter Kolben gegenübersteht, der zu dem ersten Kolben gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei der zweite Kolben eine zweite Endfläche aufweist, die der ersten Endfläche des ersten Kolbens zugewandt ist, und sich die Arbeitskammer zwischen den Endflächen befindet.The invention relates to a piston engine, comprising a housing in which at least a first piston is arranged, which is reciprocable between two end positions and to periodically enlarge and reduce a working chamber adjacent to a first end surface of the at least one first piston, wherein the at least one first piston having at least one guide member engaging a cam formed on a cam member disposed in the housing, the cam member concentrically and circumferentially extending around a housing fixed axis of rotation in the housing and radially outwardly of the piston with respect to the axis of rotation wherein the at least one first piston faces a second piston that performs reciprocal reciprocating movements toward the first piston, the second piston having a second end surface facing the first end surface of the first piston, and the working chamberlocated between the end faces.
Eine solche Kolbenmaschine ist beispielsweise aus WO 2006/122658 Al bekannt. Eine Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere als Brennkraftmaschine verwendet werden. In der vorliegenden Beschreibung wird die Verwendung der Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine als die bevorzugte Verwendung dargestellt. Andere Einsatzmöglichkeiten einer Kolbenmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung sind jedoch möglich, beispielsweise die Verwendung der Kolbenmaschine als Kompressor.Such a piston machine is known for example from WO 2006/122658 Al. A piston engine according to the present invention can be used in particular as an internal combustion engine. In the present specification, the use of the reciprocating engine as an internal combustion engine is shown as the preferred use. However, other applications of a piston engine according to the present invention are possible, for example the use of the piston engine as a compressor.
Die aus dem oben genannten Dokument bekannte Kolbenmaschine ist eine Rotationskolbenmaschine. In dem Gehäuse der bekannten Kolbenmaschine sind insgesamt vier Kolben angeordnet, die gemeinsam um eine gehäusefeste Drehachse umlaufen. Beim gemeinsamen Umlaufen um die Drehachse führen die vier Kolben hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei jeweils zwei Kolben, die ein Kolbenpaar bilden, zueinander gegensinnig hin- und hergehende Bewegungen ausführen, um eine zwischen den Endflächen der zwei Kolben des Kolbenpaars definierte Arbeitskammer abwechselnd zu vergrößern und zu verkleinern. Insgesamt weist die bekannte Rotationskolbenmaschine zwei Arbeitskammern auf, wobei sich die Arbeitskammern gleichsinnig verkleinern und vergrößern. Die vier Kolben sind in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der zusammen mit den Kolben um die Drehachse umläuft.The piston machine known from the above document is a rotary piston machine. In the housing of the known piston engine a total of four pistons are arranged, which rotate together about a housing-fixed axis of rotation. When revolving around the axis of rotation, the four pistons perform reciprocating motions, with two pistons forming a pair of pistons making reciprocal reciprocal reciprocations to alternately displace a working chamber defined between the end surfaces of the two pistons of the piston pair zoom in and out. Overall, the known rotary piston machine on two working chambers, wherein the working chambers in the same direction to reduce and enlarge. The four pistons are slidably mounted in a piston cage, which rotates together with the piston about the axis of rotation.
Im Wege der periodischen Verkleinerung und Vergrößerung der Volumina der Arbeitskammern finden im Fall der Verwendung der bekannten Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine die Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens statt.By means of the periodic reduction and enlargement of the volumes of the working chambers, in the case of using the known rotary piston machine as the internal combustion engine, the operating cycles of the intake, compression, expansion and discharge take place.
Die hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen Kolben werden dabei aus der Rotation der Kolben um die Drehachse abgeleitet, indem die Kolben jeweils ein Führungsglied aufweisen, das in einer Steuerkurve eines gehäusefesten Kurvenglieds läuft, wobei die Steuerkurve eine entsprechende wellenförmige Konturierung hat, um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben aus der Rotation der Kolben um die Drehachse abzuleiten. Im Fall der Verwendung einer solchen Rotationskolbenmaschine als Brennkraftmaschine kann die Rotation des Kolbenkäfigs auf eine Abtriebswelle übertragen werden, um beispielsweise ein Fahrzeug anzutreiben.The reciprocating movements of the individual pistons are thereby derived from the rotation of the pistons about the axis of rotation by the pistons each having a guide member which runs in a control cam of a housing-fixed cam member, wherein the control cam has a corresponding wavy contouring to the out - And forthcoming movements of the piston from the rotation of the piston to derive about the axis of rotation. In the case of using such a rotary piston machine as an internal combustion engine, the rotation of the piston cage can be transmitted to an output shaft, for example, to drive a vehicle.
Weitere Rotationskolbenmaschinen vergleichbarer Art sind beispielsweise aus den Dokumenten DE 10 2005 024 751 Al oder aus WO 03/067033 Al bekannt. Bei der aus DE 10 2005 024 751 Al bekannten Rotationskolbenmaschine ist das Kurvenglied unmittelbar in die Innenwand des Gehäuses integriert, ebenso bei der aus WO 03/067033 Al bekannten Rotationskolbenmaschine.Further rotary piston machines of comparable type are known, for example, from the documents DE 10 2005 024 751 A1 or from WO 03/067033 A1. In the known from DE 10 2005 024 751 Al rotary piston machine, the cam member is integrated directly into the inner wall of the housing, as well as in the known from WO 03/067033 Al rotary piston machine.
Bei den zuvor beschriebenen bekannten Kolbenmaschinen ergibt sich ein Nachteil daraus, dass die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben, die für die Arbeitstakte des Einlassens, Verdichtens, Expandierens und Ausstoßens maßgeblich sind, aus einer Rotation der Kolben um die Drehachse abgeleitet werden, und dass zwangsläufig auch der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die Drehachse rotiert. Durch die Rotation der Kolben um die Drehachse wirken auf diese Fliehkräfte, die zu fliehkraftbedingten Reibungen zwischen den Kolbenaußenwänden und der Innenwand des Kolbenrotors führen, da die Kolben zwar gemeinsam mit dem Kolbenkäfig rotieren, jedoch relativ zu dem Kolbenkäfig hin- und hergehende Gleitbewegungen ausführen müssen. Diese hin- und hergehenden Bewegungen sind aufgrund der Fliehkräfte, die auf die Kolben wirken, somit reibungsbehaftet. Die auf die Kolben wirkenden Fliehkräfte beeinträchtigen daher die Laufeigenschaften der bekannten Kolbenmaschinen.In the known piston engines described above, there is a disadvantage that the reciprocating movements of the pistons, which are decisive for the working cycles of the intake, compression, expansion and ejection, are derived from a rotation of the pistons about the axis of rotation, and that inevitably also the piston cage rotates together with the pistons around the rotation axis. By the rotation of the pistons about the axis of rotation act on these centrifugal forces, which lead to centrifugally induced friction between the piston outer walls and the inner wall of the piston rotor, since the pistons, although rotate together with the piston cage, but must perform relative to the piston cage reciprocating sliding movements. These reciprocating movements are thus subject to friction due to the centrifugal forces acting on the pistons. The centrifugal forces acting on the pistons therefore affect the running characteristics of the known reciprocating engines.
Aus DE 101 15 167 Cl ist ferner eine Radialkolben-Hochdruckpumpe, insbesondere als Kraftstoffpumpe für Einspritzsysteme von Brennkraftmaschinen, bekannt. Diese Hochdruckpumpe weist in einem Pumpenkopf radial bewegliche Pumpkolben auf, deren hin- und hergehende Bewegungen durch einen die "Pumpkolben umgebenden drehbaren Nockenring erzeugt werden, der eine entsprechend konturierte Nockenbahn aufweist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die Laufeigenschaften der Kolbenmaschine verbessert sind.From DE 101 15 167 Cl a radial piston high-pressure pump, in particular as a fuel pump for injection systems of internal combustion engines, is also known. This high-pressure pump comprises a pump head on radially movable pump pistons whose reciprocating motion by a surrounding "pump piston rotatable cam ring are produced, which has a correspondingly contoured cam track. The invention has the object of developing a piston engine of the type mentioned in such a way that the operating characteristics of the piston engine are improved.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Kolbenmaschine dadurch gelöst, dass das Kurvenglied um die Drehachse rotierbar in dem Gehäuse gelagert ist, während der zumindest eine erste Kolben und der zweite Kolben nicht um die Drehachse drehbar sind, so dass der zumindest eine erste Kolben und der zweite Kolben beim Rotieren des Kurvengliedes um die Drehachse hin- und hergehende Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse festen Bewegungsebene ausführen.According to the invention this object is achieved with respect to the piston engine mentioned above in that the cam member is rotatably mounted about the axis of rotation in the housing, while the at least one first piston and the second piston are not rotatable about the axis of rotation, so that at least a first piston and the second piston during rotation of the cam member about the rotational axis reciprocating movements in a fixed axis of rotation with respect to the movement plane.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine löst sich von dem Konzept der Rotationskolbenmaschinen, indem die hin- und hergehenden Bewegungen des Kolbens oder der Kolben nicht aus einer Rotationsbewegung des Kolbens bzw. der Kolben um die Drehachse abgeleitet werden, sondern aus einer Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse, während der Kolben oder die Kolben bezüglich der Drehachse nicht rotiert/rotieren. Fliehkräfte bezüglich der Drehachse auf den oder die Kolben werden somit ausgeschlossen. Der zumindest eine erste Kolben führt seine hin- und hergehenden Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse festen Bewegungsebene aus, während bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen die Bewegungsebene der hin- und hergehenden Bewegungen der einzelnen Kolben ebenfalls um die Drehachse rotiert.The piston engine according to the invention is detached from the concept of rotary piston engines in that the reciprocating movements of the piston or pistons are not derived from a rotational movement of the piston or pistons about the axis of rotation, but from a rotation of the cam member about the axis of rotation the piston or pistons do not rotate with respect to the axis of rotation. Centrifugal forces with respect to the axis of rotation on the piston or pistons are thus excluded. The at least one first piston performs its reciprocating movements in a fixed plane of rotation with respect to the axis of rotation, while in the known rotary piston machines, the plane of movement of the reciprocating movements of the individual pistons also rotates about the axis of rotation.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine kommt auch mit wesentlich weniger rotierenden Teilen als die bekannten Rotationskolbenmaschinen aus, weil auf die Rotation des oder der Kolben verzichtet wird, und nur noch das masseärmere Kurvenglied eine Rotationsbewegung ausführt, um die hin- und hergehenden Bewegungen des oder der Kolben zu erzeugen. Das Konzept der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine wird vorteilhaft in einer Ausgestaltung angewandt, bei der dem zumindest einen ersten Kolben ein zweiter Kolben gegenübersteht, der beim Rotieren des Kurvengliedes zu dem ersten Kolben gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei der zweite Kolben eine zweite Endfläche aufweist, die der ersten Endfläche des ersten Kolbens zugewandt ist, und sich die Arbeitskammer, in der ein Arbeitsgas, insbesondere ein Brennstoff-Luft-Gemisch, verdichtet, gezündet und expandiert wird, zwischen den Endflächen befindet.The piston engine according to the invention also manages with substantially fewer rotating parts than the known rotary piston machines, because the rotation of the piston or pistons is dispensed with, and only the lower-mass cam member executes a rotational movement in order to produce the reciprocating movements of the piston or pistons , The concept of the piston engine according to the invention is advantageously applied in an embodiment in which the at least one first piston faces a second piston which performs opposite reciprocating motions when the cam member is rotated relative to the first piston, the second piston having a second end surface. which faces the first end surface of the first piston, and the working chamber in which a working gas, in particular a fuel-air mixture, compressed, ignited and expanded, is located between the end surfaces.
Dieses an sich beispielsweise aus dem eingangs genannten Dokument bekannte Boxerprinzip, bei dem die zwei Kolben gegeneinander arbeiten, hat den Vorteil, dass bei vergleichsweise geringem Hub der beiden Kolben ein großes Atmungsvolumen der Arbeitskammer erzielt wird.This boxer principle, known per se, for example, from the document mentioned above, in which the two pistons work against one another, has the advantage that, with a comparatively small stroke of the two pistons, a large breathing volume of the working chamber is achieved.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der zweite Kolben ein Führungsglied auf, das mit der Steuerkurve des Kurvenglieds in Eingriff steht.In a further preferred embodiment, the second piston on a guide member which is in engagement with the control cam of the cam member.
Bei dieser Ausgestaltung werden somit die hin- und hergehenden Bewegungen der beiden sich gegenüberstehenden Kolben unabhängig voneinander aus der Rotation des Kurvenglieds um die Drehachse abgeleitet. Dies hat den Vorteil, dass zur Erzeugung der hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten Kolbens keine mechanische Kopplung zwischen den beiden Kolben vorgesehen werden muss. Für den ersten und zweiten Kolben ist darüber hinaus nur eine Steuerkurve in dem Kurvenglied erforderlich.In this embodiment, therefore, the reciprocating movements of the two opposing pistons are independently derived from the rotation of the cam member about the axis of rotation. This has the advantage that no mechanical coupling between the two pistons has to be provided to produce the reciprocating movements of the second piston. In addition, only one control cam in the cam member is required for the first and second pistons.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verläuft die Drehachse mittig durch die Arbeitskammer.In a further preferred embodiment, the axis of rotation runs centrally through the working chamber.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass im Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine als Brennkraftmaschine stirnseitig im Gehäuse und auf der Drehachse liegend eine Zündvorrichtung zum Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Arbeitskammer angeordnet werden kann. Eine Anordnung der Zündvorrichtung auf der Drehachse ist zwar beispielsweise auch bei der bekannten Rotationskolbenmaschine gemäß WO 2006/122658 Al vorgesehen, jedoch besteht dort der Nachteil, dass die Zündvorrichtung durch eine Bohrung in dem rotierenden Kolbenkäfig durchgeführt ist, was zu Dichtungsproblemen zwischen der Zündvorrichtung und dem rotierenden Kolbenkäfig führen kann. Bei der erfindungsgemäße Kolbenmaschine kann dagegen die Zündvorrichtung durch das Gehäuse und somit durch ein feststehendes Teil durchgeführt und leicht abgedichtet werden.This measure has the advantage that, in the case of using the piston engine according to the invention as the internal combustion engine at the front side in the housing and on the axis of rotation lying an ignition device for igniting the fuel-air mixture can be arranged in the working chamber. Although an arrangement of the ignition device on the axis of rotation is provided for example in the known rotary piston machine according to WO 2006/122658 Al, but there is the disadvantage that the ignition device is performed through a hole in the rotating piston cage, resulting in sealing problems between the ignition device and the can lead rotating piston cage. In the piston engine according to the invention, however, the ignition device can be performed by the housing and thus by a fixed part and easily sealed.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der zumindest eine erste Kolben in einem Kolbenkäfig gleitend gelagert, der bezüglich des Gehäuses feststehend ist.In a further preferred embodiment, the at least one first piston is slidably mounted in a piston cage, which is fixed relative to the housing.
Die Aufnahme des zumindest einen ersten Kolbens in einem Kolbenkäfig hat den Vorteil, dass der Kolben eine zylindrische Form aufweisen kann, so dass die erste Endfläche des zumindest einen ersten Kolbens kreisförmig ausgebildet werden kann, und der Kolben in einer kreisförmigen Bohrung in dem Kolbenkäfig gleitend gelagert werden kann. Auch dies ist bei der aus WO 2006/122658 Al bekannten Rotationskolbenmaschine bereits realisiert, jedoch mit dem Unterschied, dass dort der Kolbenkäfig zusammen mit den Kolben um die Drehachse rotiert, während in der vorliegenden Ausgestaltung der Kolbenkäfig gehäusefest ausgebildet ist. Damit werden die bei der bekannten Rotationskolbenmaschine auftretenden fliehkraftbedingten Reibungen zwischen den Kolben und dem Kolbenkäfig bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine vermieden.The inclusion of the at least one first piston in a piston cage has the advantage that the piston may have a cylindrical shape so that the first end surface of the at least one first piston may be circular, and the piston slidably supported in a circular bore in the piston cage can be. This is already realized in the known from WO 2006/122658 Al rotary piston machine, but with the difference that there the piston cage rotates together with the piston about the axis of rotation, while in the present embodiment, the piston cage is fixed to the housing. Thus, the centrifugal force occurring in the known rotary piston machine friction between the piston and the piston cage are avoided in the piston engine according to the invention.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung steht mit dem Kurvenglied eine Welle in Wirkverbindung, derart, dass die Rotation des Kurvengliedes in eine Rotation der Welle umgesetzt wird.In a further preferred embodiment, a shaft is in operative connection with the cam member, such that the rotation of the cam member is converted into a rotation of the shaft.
Der Abgriff der Drehbewegung, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, erfolgt hier vorteilhafterweise von dem rotierenden Kurvenglied, so dass die Drehung des Kurvenglieds unmittelbar in eine Drehung der Welle übertragen werden kann, was komplizierte Umsetzungsgetriebe vermeidet.The tap of the rotational movement, for example for driving a vehicle, is advantageously carried out here by the rotating cam member, so that the rotation of the Curve member can be transmitted directly into a rotation of the shaft, which avoids complicated transmission gear.
Bevorzugt ist es dabei, wenn die Welle über eine Schneckenverzahnung mit dem Kurvenglied verbunden ist.It is preferred if the shaft is connected via a worm toothing with the cam member.
Auf diese Weise kann die Welle vorteilhafterweise direkt mit der Außenseite des Kurvengliedes in Eingriff stehen, wodurch weitere bewegliche Teile zwischen dem Kurvenglied und der Welle eingespart werden. Die Welle ist dabei vorzugsweise senkrecht zur Drehachse angeordnet.In this way, the shaft may advantageously be directly in engagement with the outside of the cam member, thereby saving further moving parts between the cam member and the shaft. The shaft is preferably arranged perpendicular to the axis of rotation.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse in Bezug auf die Drehachse stirnseitig ein Gaseinlass und ein Gasauslass vorhanden, wobei der Gas- einlass und der Gasauslass mittels eines Drehschiebers, der eine Öffnung aufweist, freigegeben und verschlossen wird, der um die Drehachse mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied rotiert.In a further preferred embodiment, a gas inlet and a gas outlet are present in the housing with respect to the axis of rotation at the front side, wherein the gas inlet and the gas outlet by means of a rotary valve having an opening, released and closed, which is about the axis of rotation with the same Speed as the cam member rotates.
Die erfindungsgemäße Kolbenmaschine ermöglicht es vorteilhaft, dass der Gaseinlass und der Gasauslass in unmittelbarer Nähe zur Drehachse in dem stirnseitigen Teil des Gehäuses vorgesehen werden können, ohne dass der Gaseinlass und der Gasauslass beispielsweise mit einem rotierenden Teil kollidieren. Über den Drehschieber, der eine Öffnung aufweist, wird auf konstruktiv vorteilhaft besonders einfache Weise ein Einlass- und Auslassventil geschaffen, um ein Gas, beispielsweise ein Kraftstoff-Luft- Gemisch, in die Arbeitskammer einzulassen, und ein Gas, beispielsweise verbranntes Kraftstoff-Luft-Gemisch, aus der Arbeitskammer auszulassen, wobei durch die gleiche Drehgeschwindigkeit des Drehschiebers wie die Drehgeschwindigkeit des Kurvenglieds der Zeitpunkt des Gaseinlasses und des Gasauslasses mit der hin- und hergehenden Bewegung des zumindest einen ersten Kolbens synchronisiert ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dazu vorgesehen, dass die Rotation des Drehschiebers aus der Rotation des Kurvengliedes über ein Getriebe mit einer Übersetzung der Drehzahl von 1:1 abgeleitet wird.The piston engine according to the invention advantageously makes it possible for the gas inlet and the gas outlet to be provided in the immediate vicinity of the axis of rotation in the frontal part of the housing without the gas inlet and the gas outlet colliding with, for example, a rotating part. About the rotary valve, which has an opening, an inlet and outlet valve is created in a structurally advantageous particularly simple manner to admit a gas, such as a fuel-air mixture in the working chamber, and a gas, such as combusted fuel air Mixture, to be discharged from the working chamber, wherein synchronized by the same rotational speed of the rotary valve as the rotational speed of the cam member, the timing of the gas inlet and the gas outlet with the reciprocating movement of the at least one first piston. In an advantageous embodiment, it is provided that the rotation of the rotary valve from the rotation of the cam member via a transmission with a ratio of the speed of 1: 1 is derived.
Ein solches Getriebe kann wiederum wie im Fall der oben genannten Welle durch eine Schneckenverzahnung zwischen der Außenseite des Kurvengliedes und einer Antriebswelle für den Drehschieber ausgebildet sein.Such a transmission can in turn be formed by a worm gear between the outer side of the cam member and a drive shaft for the rotary valve as in the case of the above-mentioned shaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind in dem Gehäuse insgesamt vier Kolben angeordnet, von denen der zumindest erste und ein zweiter Kolben ein erstes Kolbenpaar und ein dritter und ein vierter Kolben ein zweites Kolbenpaar bilden, wobei das zweite Kolbenpaar eine zweite Arbeitskammer definiert, die mit der durch das erste Kolbenpaar definierten Arbeitskammer in einer Ebene liegt, wobei die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten und dritten Kolbens gleichgerichtet sind, und wobei die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten und vierten Kolbens gleichgerichtet sind.In a further preferred embodiment, a total of four pistons are arranged in the housing, of which the at least first and a second piston, a first piston pair and a third and a fourth piston form a second piston pair, wherein the second piston pair defines a second working chamber, which with the Working chamber defined by the first pair of pistons is in a plane, wherein the reciprocating movements of the first and third pistons are rectified, and wherein the reciprocating movements of the second and fourth pistons are rectified.
Bei dieser Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine weist diese wie die bekannte Rotationskolbenmaschine zwar ebenfalls vier Kolben und zwei Arbeitskammern auf, jedoch vergrößern und verkleinern sich die beiden Arbeitskammern bei der erfindungsgemäßen Kolbenmaschine im Unterschied zu der bekannten Rotationskolbenmaschine gegensinnig, d.h. wenn die eine Arbeitskammer ihr minimales Volumen aufweist, weist die andere Arbeitskammer ihr maximales Volumen auf, und umgekehrt. Der Vorteil hierbei besteht insbesondere in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Konzept, dass die Kolben in dem Gehäuse nicht mehr um die Drehachse rotieren, darin, dass zum einen auf die Kolben, wie bereits oben erwähnt, keine Fliehkräfte wirken, und andererseits zwei über ihre den Endflächen entgegengesetzten Rückseiten benachbarte Kolben, d.h. der erste und dritte bzw. der zweite und vierte Kolben, sich jeweils gemeinsam in der gleichen Richtung hin- und herbewegen. Hierdurch werden Schwingungen der Kolbenmaschine im Betrieb reduziert. In der Ausgestaltung, in der die Kolbenmaschine insgesamt vier Kolben aufweist, weisen auch der dritte und der vierte Kolben jeweils ein Führungsglied auf, wobei die beiden Fϋhrungsglieder in eine weitere Steuerkurve des Kurvengliedes eingreifen.In this embodiment of the piston engine according to the invention, although this also has four pistons and two working chambers as the known rotary piston machine, however, increase and decrease the two working chambers in the piston engine according to the invention in contrast to the known rotary piston machine in opposite directions, ie if the one working chamber has its minimum volume , the other working chamber has its maximum volume, and vice versa. The advantage here is especially in connection with the inventive concept that the pistons in the housing no longer rotate about the axis of rotation, in that on the one hand on the piston, as already mentioned above, no centrifugal forces act, and on the other hand two about their end surfaces adjacent backs adjacent pistons, ie, the first and third and the second and fourth pistons, respectively reciprocate together in the same direction. As a result, vibrations of the piston engine are reduced during operation. In the embodiment in which the piston engine has a total of four pistons, also the third and the fourth piston each have a guide member, wherein the two guide members engage in a further control cam of the cam member.
Hierbei ist von Vorteil, dass die hin- und hergehenden Bewegungen aller vier Kolben durch das Kurvenglied wohldefiniert geführt sind.It is advantageous that the reciprocating movements of all four pistons are well-defined by the cam member.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind der erste und dritte Kolben auf ihren einander zu gewandten Seiten miteinander verbunden, und der zweite und vierte Kolben sind auf ihren einander zu gewandten Seiten ebenfalls miteinander verbunden.In a further preferred embodiment, the first and third pistons are connected to each other on their sides facing each other, and the second and fourth pistons are also connected to each other on their sides facing each other.
Hierbei ist von Vorteil, dass über einen vollen Umlauf des Kurvenglieds gesehen stets gewährleistet ist, dass die Führungsglieder der Kolben mit direktem und sicherem Kontakt an der jeweiligen Steuerkurve des Kurvengliedes anliegen, weil die Verbindung zwischen dem ersten und dritten bzw. zweiten und vierten Kolben bewirkt, dass zwischen diesen Kolben ein gegenseitiger Schlepp- oder Mitnahmeeffekt bei der hin- und hergehenden Bewegung besteht.It is advantageous that, seen over a full revolution of the cam member is always ensured that the guide members of the piston abut with direct and secure contact on the respective cam of the cam member, because the connection between the first and third or second and fourth piston causes in that there is a mutual drag or entrainment effect in the reciprocating movement between these pistons.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.Further advantages and features will become apparent from the following description and the accompanying drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolbenmaschine in einer Längsschnittdarstellung in einer ersten Schnittebene entlang der Drehachse;An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be described with reference to this hereafter. Show it: 1 shows a piston machine according to the invention in a longitudinal sectional view in a first sectional plane along the axis of rotation.
Fig. 2 die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einem Längsschnitt entlang einer Schnittebene entlang der Drehachse, jedoch senkrecht zur Schnittebene in Fig. 1, teilweise mit Aufbrechungen;2 shows the piston machine in FIG. 1 in a longitudinal section along a sectional plane along the axis of rotation, but perpendicular to the sectional plane in FIG. 1, partly with openings;
Fig. 3 die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer Längsschnittdarstellung gemäß Fig. 2, wobei die Kolben sich in einer gegenüber Fig. 1 und 2 verschiedenen Betriebsstellung befinden;FIG. 3 shows the piston machine in FIG. 1 in a longitudinal section according to FIG. 2, the pistons being in a different operating position relative to FIGS. 1 and 2;
Fig. 4 die Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer mit Fig. 3 vergleichbaren Darstellung, wobei sich die Kolben in einer weiteren Betriebsstellung befinden;FIG. 4 shows the piston machine in FIG. 1 in a representation comparable to FIG. 3, the pistons being in a further operating position; FIG.
Fig. 5 eine Stirnansicht der Kolbenmaschine in Fig. 1;Fig. 5 is an end view of the piston engine in Fig. 1;
Fig. 6 ein Kurvenglied der Kolbenmaschine in Fig. 1 in einer ausschnittsweisen perspektivischen Darstellung zusammen mit den Kolben der Kolbenmaschine, wobei sich die Kolben in einer ersten Betriebsstellung befinden;6 shows a cam member of the piston engine in FIG. 1 in a fragmentary perspective illustration together with the pistons of the piston engine, the pistons being in a first operating position; FIG.
Fig. 7 die Anordnung aus Fig. 6, wobei sich die Kolben in einer gegenüber Fig. 6 veränderten Betriebsstellung befinden; undFIG. 7 shows the arrangement of FIG. 6, wherein the pistons are in a changed operating position compared with FIG. 6; FIG. and
Fig. 8 ein Diagramm, das die Arbeitstaktfolge in zwei parallelgeschalteten Kolbenmaschinen gemäß Fig. 1 veranschaulicht.Fig. 8 is a diagram illustrating the power stroke sequence in two parallel piston machines according to FIG. 1.
In Fig. 1 bis 5 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Kolbenmaschine dargestellt. Weitere Einzelheiten der Kolbenmaschine sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt. Die Kolbenmaschine 10 dient in der vorliegenden Ausführung als Brennkraftmaschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.In Fig. 1 to 5 a provided with the general reference numeral 10 piston machine is shown. Further details of the piston engine are shown in FIGS. 6 and 7. The piston engine 10 serves in the present embodiment as an internal combustion engine, for example for use in a motor vehicle.
Die Kolbenmaschine 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das aus mehreren Gehäusesegmenten aufgebaut ist. Das Gehäuse 12 weist im Wesentlichen eine Kugelsymmetrie auf, ist jedoch hierauf nicht beschränkt.The piston engine 10 has a housing 12, which is composed of a plurality of housing segments. The housing 12 has a substantially spherical symmetry, but is not limited thereto.
In Bezug auf eine später noch zu erläuternde Drehachse 14 weist das Gehäuse 12 ein erstes stirnseitiges Gehäusesegment 16 und diesem gegenüberliegend ein zweites stirnseitiges Gehäusesegment 18 sowie in Umfangsrichtung um die Drehachse 14 ein oder mehrere Gehäusesegmente 20 als Hauptbestandteile des Gehäuses 12 auf.With reference to a later to be explained axis of rotation 14, the housing 12 has a first end-side housing segment 16 and this opposite a second end-side housing segment 18 and in the circumferential direction about the rotation axis 14 one or more housing segments 20 as the main components of the housing 12.
In dem Gehäuse 12 sind insgesamt vier Kolben angeordnet, und zwar ein erster Kolben 22, ein zweiter Kolben 24, ein dritter Kolben 26 und ein vierter Kolben 28.In the housing 12, a total of four pistons are arranged, namely a first piston 22, a second piston 24, a third piston 26 and a fourth piston 28th
Alle vier Kolben 22 bis 28 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet, wie insbesondere aus Fig. 2 bis 4 hervorgeht.All four pistons 22 to 28 are arranged in a common plane, as is apparent in particular from FIGS. 2 to 4.
Der erste Kolben 22 weist eine erste Endfläche 30, der zweite Kolben 24 eine zweite Endfläche 32, der dritte Kolben 26 eine dritte Endfläche 34 und der vierte Kolben 28 eine vierte Endfläche 36 auf.The first piston 22 has a first end surface 30, the second piston 24 has a second end surface 32, the third piston 26 has a third end surface 34 and the fourth piston 28 has a fourth end surface 36.
Der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 definieren zwischen ihren jeweiligen Endflächen 30 und 32 eine erste Arbeitskammer 38, und der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben 28 definieren zwischen ihren Endflächen 34 und 36 eine zweite Arbeitskammer 40.The first piston 22 and the second piston 24 define between their respective end surfaces 30 and 32 a first working chamber 38, and the third piston 26 and the fourth piston 28 define between their end surfaces 34 and 36 a second working chamber 40.
Die Kolben 22 bis 28 führen in dem Gehäuse 12 hin- und hergehende Bewegungen aus, wobei diese hin- und hergehenden Bewegungen hier als Schwenkbewegungen um eine Schwenkachse 41 stattfinden, die senkrecht zu der oben genannten Drehachse 14 verläuft und bezüglich des Gehäuses 12 feststeht. Die Kolben 22 bis 28 sind hier entsprechend gekrümmt zylindrisch ausgebildet. Es versteht sich, dass die Kolben 22 bis 28 in einer abgewandelten Ausführungsform anstatt Schwenkbewegungen auch linear hin- und hergehende Bewegungen senkrecht oder schräg zur Drehachse ausführen können und dann entsprechend nicht gekrümmt sein müssen.The pistons 22 to 28 carry out reciprocating movements in the housing 12, whereby these reciprocating movements take place here as pivoting movements about a pivot axis 41, which runs perpendicular to the abovementioned axis of rotation 14 and is stationary relative to the housing 12. The pistons 22 to 28 are here correspondingly curved cylindrical. It is understood that the pistons 22 to 28 can perform in a modified embodiment, instead of pivoting movements and linear reciprocating movements perpendicular or oblique to the axis of rotation and then need not be correspondingly curved.
Um die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu erzeugen, ist in dem Gehäuse 12 weiterhin ein Kurvenglied 42 angeordnet.In order to generate the reciprocating movements of the pistons 22 to 28, a cam member 42 is further arranged in the housing 12.
Das Kurvenglied 42 ist als sich vollumfänglich um die Drehachse 14 erstreckender und in Umfangsrichtung geschlossener Ring ausgebildet, und befindet sich in Bezug auf die Kolben 22 bis 28 von der Drehachse 14 aus gesehen radial außerhalb der Kolben 22 bis 28 und etwa mittig zwischen den stirnseitigen Gehäusesegmenten 16 und 18 bzw. etwa mittig in dem Gehäuse 12.The cam member 42 is formed as circumferentially circumferentially closed around the rotation axis 14 and formed, and is located with respect to the pistons 22 to 28 viewed from the rotation axis 14 radially outward of the pistons 22 to 28 and approximately centrally between the front housing segments 16 and 18 and approximately in the center of the housing 12th
Das Kurvenglied 42 ist um die Drehachse 14 mittels zweier Ringlager 44, 46 rotierbar in dem Gehäuse 12 gelagert.The cam member 42 is rotatably supported in the housing 12 about the rotation axis 14 by means of two ring bearings 44, 46.
Das Kurvenglied 42 kann somit um die als geometrische Achse zu verstehende Drehachse 14 in dem Gehäuse 12 rotieren, wobei die Rotation des Kurvenglieds 42 dazu dient, die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 zu erzeugen.The cam member 42 can thus rotate about the axis of rotation 14 to be understood as a geometric axis in the housing 12, wherein the rotation of the cam member 42 serves to generate the reciprocating movements of the pistons 22 to 28.
Dazu weist das Kurvenglied 42 eine erste Steuerkurve 48 und eine zweite Steuerkurve 50 auf, wobei die beiden Steuerkurven 48, 50 in Bezug auf die Drehachse axial nebeneinander angeordnet sind und sich jeweils um die Drehachse 14 vollumfänglich erstrecken.For this purpose, the cam member 42 has a first control cam 48 and a second control cam 50, wherein the two control cams 48, 50 are arranged axially adjacent to each other with respect to the axis of rotation and each extend fully around the axis of rotation 14.
Mit der Steuerkurve 48 steht ein Führungsglied 52, das mit dem ersten Kolben 22 verbunden ist, sowie ein Führungsglied 54, das mit dem zweiten Kolben 24 verbunden ist, in Eingriff. Mit der Steuerkurve 50 steht ein Führungsglied 56, das mit dem dritten Kolben 26 verbunden ist, und ein Führungsglied 58, das mit dem vierten Kolben 28 verbunden ist, in Eingriff. Die Führungsglieder 52 bis 58 sind als Laufrollen ausgebildet und auf der den jeweiligen Endflächen 30 bis 36 abgewandten Rückseite der Kolben 22 bis 28 angeordnet.With the control cam 48 is a guide member 52 which is connected to the first piston 22, and a guide member 54 which is connected to the second piston 24 in engagement. With the control cam 50 is a guide member 56 which is connected to the third piston 26, and a guide member 58 which is connected to the fourth piston 28, in engagement. The guide members 52 to 58 are formed as rollers and arranged on the respective end faces 30 to 36 facing away from the back of the piston 22 to 28.
Wie in Fig. 2 beispielhaft für das Führungsglied 52 dargestellt ist, ist dieses über einen Achszapfen 60, der mit dem Kolben 22 fest verbunden ist, an dem Kolben 22 drehbar gelagert.As shown in FIG. 2 by way of example for the guide member 52, this is rotatably mounted on the piston 22 via a journal 60, which is fixedly connected to the piston 22.
Die Führungsglieder 52 bis 58 können anstelle durch Laufrollen wie in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auch durch in Kugelpfannen in den Kolben 22 bis 28 gelagerte Kugeln, oder durch Gleitschuhe oder durch anders geformte Laufrollen gebildet sein.The guide members 52 to 58 may be formed instead of by rollers as in the embodiment shown also by ball cups in the pistons 22 to 28 mounted balls, or by sliding shoes or other shaped rollers.
Die Kolben 22 bis 28 sind ferner in einem Kolbenkäfig 62 gleitend gelagert, der bezüglich der Drehachse 14 in dem Gehäuse 12 feststeht, mit dem Gehäuse 12 also drehfest verbunden ist.The pistons 22 to 28 are also slidably mounted in a piston cage 62, which is fixed with respect to the axis of rotation 14 in the housing 12, so is rotatably connected to the housing 12.
Der Kolbenkäfig 62 weist für den ersten Kolben 22 und den zweiten Kolben 24 eine hier kreisförmige Bohrung 64 auf, sowie für den dritten Kolben 26 und den vierten Kolben 28 eine ebenfalls kreisförmige Bohrung 66, so dass die Kolben 22 und 24 in der Bohrung 64 und die Kolben 26 und 28 in der Bohrung 66 gleitend gelagert sind. Die Kolben 22 bis 28, die im Querschnitt vorzugsweise kreisförmig sind, können somit über kreisförmige Dichtungen (beispielsweise Dichtungen 68 des Kolbens 22 in Fig. 3) abgedichtet in den Bohrungen 64 bzw. 66 gleiten, so dass die Arbeitskammern 38 und 40 abgedichtet sind. Die Umfangswände der Bohrungen 64 und 66 begrenzen dabei zusammen mit den Endflächen 30, 32 bzw. 34, 36 die Arbeitskammern 38 bzw. 40, so dass die Arbeitskammern 38 bzw. 40 im Wesentlichen die Form eines Zylinders aufweisen.The piston cage 62 has for the first piston 22 and the second piston 24 has a circular bore 64 here, as well as for the third piston 26 and the fourth piston 28 is also a circular bore 66, so that the piston 22 and 24 in the bore 64 and the pistons 26 and 28 are slidably mounted in the bore 66. The pistons 22 to 28, which are preferably circular in cross-section, can thus be sealed in the bores 64 and 66 via circular seals (for example seals 68 of the piston 22 in FIG. 3) so that the working chambers 38 and 40 are sealed. The peripheral walls of the bores 64 and 66 bound together with the end surfaces 30, 32 and 34, 36, the working chambers 38 and 40, so that the working chambers 38 and 40 have substantially the shape of a cylinder.
Beim Rotieren des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 laufen die Steuerkurven 48 und 50 an den Führungsgliedern 52 bis 58 entlang, und entsprechend der Konturie- rung der Steuerkurven 48 und 50, die in Bezug auf die Drehachse 14 aus „Bergen" und „Tälern" bestehen, werden die hin- und hergehenden Bewegungen der Kolben 22 bis 28 erzeugt.As the cam member 42 rotates about the axis of rotation 14, the cams 48 and 50 pass along the guide links 52-58, and corresponding to the contouring of the cams 48 and 50 which are "mountains" relative to the rotational axis 14. and "valleys", the reciprocating movements of the pistons 22 to 28 are generated.
Jeder der Kolben 22 bis 28 führt seine hin- und hergehenden Bewegungen zwischen zwei Endstellungen aus, wobei die Bewegung der Kolben 22 bis 28 dabei stets in der gleichen Bewegungsebene stattfindet, die für die vier Kolben 22 bis 28 in Fig. 2 bis 4 die Zeichenebene ist. Die Kolben 22 bis 28 laufen also nicht wie bei den bekannten Rotationskolbenmaschinen um die Drehachse 14 um. Die Kolben 22 bis 28 befinden sich dagegen stets in einer im Wesentlichen mittigen Ebene im Gehäuse 12.Each of the pistons 22 to 28 carries out its reciprocating movements between two end positions, wherein the movement of the pistons 22 to 28 always takes place in the same plane of motion, for the four pistons 22 to 28 in FIGS. 2 to 4 the plane of the drawing is. The pistons 22 to 28 thus do not run around the axis of rotation 14 as in the known rotary piston machines. The pistons 22 to 28, however, are always in a substantially central plane in the housing 12th
Der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 führen dabei zueinander gegensinnige Bewegungen aus, und der dritte Kolben 26 und der vierte Kolben 28 führen ebenfalls zueinander gegensinnige Bewegungen aus. Demgegenüber sind die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten Kolbens 22 zu denjenigen des dritten Kolbens 26 gleichgerichtet, und die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten Kolbens 24 sind mit denjenigen des vierten Kolbens 28 gleichgerichtet. Dies bewirkt, dass sich die Arbeitskammern 38 und 40 nicht gleichsinnig vergrößern und verkleinern, sondern während sich die Arbeitskammer 38 im Volumen verkleinert, vergrößert sich die Arbeitskammer 40, und umgekehrt.The first piston 22 and the second piston 24 perform mutually opposite movements, and the third piston 26 and the fourth piston 28 also perform mutually opposite movements. In contrast, the reciprocating movements of the first piston 22 are rectified to those of the third piston 26, and the reciprocating movements of the second piston 24 are rectified with those of the fourth piston 28. This causes the working chambers 38 and 40 do not enlarge and reduce in the same direction, but as the working chamber 38 decreases in volume, the working chamber 40 increases, and vice versa.
In Fig. 2 sind der erste Kolben 22 und der zweite Kolben 24 in ihrer Endstellung dargestellt, die als oberer Totpunkt (OT) bezeichnet wird, in der sich die Kolben 22 und 24 maximal aufeinander zu bewegt haben und die Arbeitskammer 38 entsprechend ein minimales Volumen aufweist.In Fig. 2, the first piston 22 and the second piston 24 are shown in their end position, which is referred to as top dead center (TDC), in which the pistons 22 and 24 have moved toward each other maximum and the working chamber 38 corresponding to a minimum volume having.
Gleichzeitig befinden sich die Kolben 26 und 28 in einer Endstellung, die als unterer Totpunkt (UT) bezeichnet wird, in der die Kolben 26 und 28 maximal voneinander beabstandet sind und die Arbeitskammer 40 entsprechend maximales Volumen besitzt. Fig. 3 zeigt eine Zwischenstellung der Kolben 22 und 24 bzw. 26 und 28, bei der sich die Kolben 22 bis 28 aus ihrer jeweiligen Endstellung in Fig. 2 um jeweils die Hälfte in Richtung zur anderen Endstellung bewegt haben. Dem Übergang von Fig. 2 zu Fig. 3 liegt eine 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 zugrunde.At the same time, the pistons 26 and 28 are in an end position, referred to as bottom dead center (UT), in which the pistons 26 and 28 are maximally spaced apart and the working chamber 40 has correspondingly maximum volume. Fig. 3 shows an intermediate position of the pistons 22 and 24 or 26 and 28, in which the pistons 22 to 28 have moved from their respective end position in Fig. 2 by half each in the direction of the other end position. The transition from FIG. 2 to FIG. 3 is based on a 90 ° rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14.
Fig. 4 zeigt nach einer weiteren 90°-Drehung ausgehend von Fig. 3 die zu Fig. 2 umgekehrte Situation, in der die Kolben 22 und 24 ihre UT-Stellung erreicht haben, während die Kolben 26 und 28 ihre OT-Stellung erreicht haben.Fig. 4 shows, after a further 90 ° rotation starting from Fig. 3, the opposite to Fig. 2 situation in which the pistons 22 and 24 have reached their BDC position, while the pistons 26 and 28 have reached their TDC position ,
In Fig. 6 ist die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die gleichzeitige UT-Stellung der Kolben 26 und 28 zusammen mit der zugehörigen Drehstellung des Kurvenglieds 42 perspektivisch dargestellt, und in Fig. 7 der umgekehrte Fall, d.h. die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und die UT-Stellung der Kolben 26 und 28.In Fig. 6, the TDC position of the pistons 22 and 24 and the simultaneous BDC position of the pistons 26 and 28 together with the associated rotational position of the cam member 42 is shown in perspective, and in Fig. 7, the reverse case, i. the TDC position of the pistons 22 and 24 and the BDC position of the pistons 26 and 28.
Der erste Kolben 22 und der dritte Kolben 26 sind auf ihren den Endflächen 30 und 34 abgewandten Rückseiten miteinander verbunden, und zwar vorzugsweise elastisch beispielsweise über eine Zugfeder 68, und der zweite Kolben 24 und der vierte Kolben 28 sind entsprechend ebenfalls vorzugsweise elastisch miteinander verbunden, und zwar beispielsweise über eine Zugfeder 70. Die Verbindung zwischen dem ersten Kolben 22 und dem dritten Kolben 26 und die Verbindung zwischen dem zweiten Kolben 24 und dem vierten Kolben 28 bewirkt einen gegenseitigen Schlepp- oder Mitnahmeeffekt zwischen dem ersten Kolben 22 und dem dritten Kolben 26 bzw. zwischen dem zweiten Kolben 24 und dem vierten Kolben 28, wodurch die Führungsorgane 52 bis 58 sicher in Kontakt mit der Steuerkurve 48 bzw. 50 des Kurvengliedes 42 gehalten werden. Die elastische Verbindung zwischen den Kolben 22 und 26 bzw. 24 und 28 erlaubt ein geringfügiges elastisches Abstandsspiel zwischen diesen Kolben.The first piston 22 and the third piston 26 are connected to each other on their rear surfaces facing away from the end surfaces 30 and 34, preferably elastically, for example via a tension spring 68, and the second piston 24 and the fourth piston 28 are also preferably connected elastically, For example, via a tension spring 70. The connection between the first piston 22 and the third piston 26 and the connection between the second piston 24 and the fourth piston 28 causes a mutual drag or entrainment effect between the first piston 22 and the third piston 26 or between the second piston 24 and the fourth piston 28, whereby the guide members 52 to 58 are securely held in contact with the control cam 48 and 50 of the cam member 42. The elastic connection between the pistons 22 and 26 or 24 and 28 allows a slight elastic distance clearance between these pistons.
Um die Rotation des Kurvenglieds 42 im Betrieb der Kolbenmaschine 10 als Antriebskraft zu nutzen, steht das Kurvenglied 42 mit einer Welle 72 (Fig. 1) in Wirkverbindung. In Fig. 2 bis 4 sind Endabschnitte 74, 76 der Welle 72 dargestellt, an die beispielsweise der Antriebsstrang eines Fahrzeugs oder Aggregate angeschlossen werden können.In order to use the rotation of the cam member 42 during operation of the piston engine 10 as a driving force, the cam member 42 is in operative connection with a shaft 72 (FIG. 1). In Fig. 2 to 4 end portions 74, 76 of the shaft 72 are shown, to the For example, the drive train of a vehicle or units can be connected.
Das Kurvenglied 42 weist gemäß Fig. 6 und 7 außenseitig eine Schneckenverzahnung 78 auf, und die Welle 72 weist eine entsprechende Außenverzahnung auf, die mit der Schneckenverzahnung 78 des Kurvenglieds 42 kämmt, derart, dass beim Rotieren des Kurvengliedes 42 um die Drehachse 14 die Welle 72 in Rotation um ihre Längsmittelachse versetzt wird. Die Welle 72 erstreckt sich in dieser besonders einfachen Ausgestaltung, die zur Drehübertragung zwischen dem Kurvenglied 42 und der Welle 72 nur eine Verzahnung an diesen beiden Teilen und keine weiteren Teile eines Getriebes erfordert, senkrecht zur Drehachse 14.The cam member 42 has, according to FIGS. 6 and 7 on the outside a worm gear 78, and the shaft 72 has a corresponding external toothing, which meshes with the worm gear 78 of the cam member 42, such that upon rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14, the shaft 72 is set in rotation about its longitudinal central axis. The shaft 72 extends in this particularly simple embodiment, which requires only a toothing on these two parts and no other parts of a transmission for rotational transmission between the cam member 42 and the shaft 72, perpendicular to the axis of rotation 14th
Nachfolgend werden weitere Aspekte der Kolbenmaschine 10 beschrieben.Hereinafter, further aspects of the piston engine 10 will be described.
Der ersten Arbeitskammer 38 sind ein Gaseinlass 80 und ein Gasauslass 82 zugeordnet, wobei der Gaseinlass 80 und der Gasauslass 82 in unmittelbarer Nähe zur Drehachse 14 in dem stirnseitigen Gehäusesegment 16 angeordnet sind.The first working chamber 38 is associated with a gas inlet 80 and a gas outlet 82, wherein the gas inlet 80 and the gas outlet 82 are arranged in the immediate vicinity of the rotational axis 14 in the front-side housing segment 16.
Der Arbeitskammer 40 ist in entsprechender Weise ein Gaseinlass 84 und ein Gasauslass 86 in dem Gehäusesegment 86 zugeordnet.The working chamber 40 is correspondingly associated with a gas inlet 84 and a gas outlet 86 in the housing segment 86.
In dem Gaseinlass 80 ist ferner eine Kraftstoffzuführvorrichtung 88 und in dem Gaseinlass 84 eine Kraftstoffzuführvorrichtung 90 angeordnet.In the gas inlet 80, a fuel supply device 88 and in the gas inlet 84, a fuel supply device 90 is further arranged.
Durch den Gaseinlass 80 kann somit ein Gemisch aus Frischluft und Kraftstoff, der über die Kraftstoffzuführeinrichtung 88, beispielsweise eine Einspritzdüse, zugeführt wird, in die Arbeitskammer 38 eingeleitet werden. Während das Einleiten von Frischluft in der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 beginnt, die sich anschließend in die UT-Stellung bewegen, kann der Kraftstoff auch erst kurz vor dem Erreichen der UT- Stellung eingespritzt werden. Die Kolben bewegen sich anschließend wieder in die OT-Stellung, wobei dann das Gemisch verdichtet wird. In der neuerlichen OT- Stellung der Kolben 22, 24 kann dann das Gemisch mittels einer Zündvorrichtung 92, beispielsweise einer Zündkerze, gezündet werden, woraufhin die Kolben 22 und 24 explosionsartig auseinander bewegt werden, d.h. der Arbeitstakt des Expandierens stattfindet. Nachdem die Kolben 22 und 24 erneut die OT-Stellung erreicht haben, wird dann beim Zurückbewegen der Kolben 22 und 24 in die UT-Stellung das verbrannte Gemisch über den Gasauslass 82 ausgestoßen, wie dies bei einem Viertakter bekannt ist.Thus, a mixture of fresh air and fuel, which is supplied via the fuel supply device 88, for example an injection nozzle, into the working chamber 38 can be introduced through the gas inlet 80. While the introduction of fresh air in the TDC position of the pistons 22 and 24 begins, which then move to the BDC position, the fuel can also be injected just before reaching the BDC position. The pistons then move back to the TDC position, then the mixture is compressed. In the recent OT Position of the pistons 22, 24, the mixture can then be ignited by means of an igniter 92, such as a spark plug, whereupon the pistons 22 and 24 are moved apart explosively, ie, the expansion stroke takes place. After the pistons 22 and 24 have again reached the TDC position, as the pistons 22 and 24 are moved back to the UT position, the burnt mixture is then expelled via the gas outlet 82, as is known in a four-stroke engine.
Eine entsprechende Zündvorrichtung 94 ist für die Arbeitskammer 40 vorgesehen.A corresponding ignition device 94 is provided for the working chamber 40.
Zum Freigeben und Verschließen des Gaseinlasses 80 und des Gasauslasses 82 ist ein Drehschieber 96 in dem Gehäuse 12 angeordnet, und zum Verschließen des Gaseinlasses 84 und des Gasauslasses 86 ist ein Drehschieber 98 in dem Gehäuse 12 angeordnet.For releasing and closing the gas inlet 80 and the gas outlet 82, a rotary valve 96 is disposed in the housing 12, and for closing the gas inlet 84 and the gas outlet 86, a rotary valve 98 is disposed in the housing 12.
Die beiden Drehschieber 96 und 98 besitzen jeweils nur eine umfänglich um die Drehachse 14 begrenzte Öffnung, wobei in Fig. 1 die eine Öffnung 100 des Drehschiebers 98 zu sehen ist.The two rotary valves 96 and 98 each have only one circumferentially limited about the axis of rotation 14 opening, wherein in Fig. 1, an opening 100 of the rotary valve 98 can be seen.
Beide Drehschieber 96 und 98 sind um die Drehachse 14 rotierbar in dem Gehäuse 12 gelagert, wobei die Drehschieber 96 und 98 mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied 42 um die Drehachse 14 rotieren.Both rotary valves 96 and 98 are rotatably mounted about the axis of rotation 14 in the housing 12, wherein the rotary valves 96 and 98 rotate at the same speed as the cam member 42 about the axis of rotation 14.
Die Rotation der Drehschieber 96 und 98 wird dabei aus der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet, das mit den Drehschiebern 96 und 98 über ein Getriebe 102 verbunden ist, das die Drehzahl des Kurvenglieds 42 1:1 in die Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 überträgt.The rotation of the rotary valve 96 and 98 is derived from the rotation of the cam member 42 which is connected to the rotary valves 96 and 98 via a gear 102, which transmits the rotational speed of the cam member 42 1: 1 in the rotational speed of the rotary valve 96 and 98.
Das Getriebe 102 weist eine Welle 104 auf, die über ein Zahnrad 106 mit der Außenverzahnung 78 des Kurvenglieds 42 kämmt, um die Welle 104 in Rotation um ihre Längsachse zu versetzen, wobei die Welle 104 endseitig Zahnräder 108, 110 trägt, die mit Zahnrädern 112, 114 kämmen, die wiederum mit einer Außenverzahnung an den Drehschiebern 96, 98 kämmen.The gearbox 102 has a shaft 104 which meshes with the external toothing 78 of the cam member 42 via a toothed wheel 106 in order to set the shaft 104 in rotation about its longitudinal axis, the shaft 104 bearing end gears 108, 110 which mesh with gears 112, 114, which in turn mesh with external teeth on the rotary valves 96, 98.
Dadurch, dass die Rotation der Drehschieber 96, 98 aus der Rotation des Kurvenglieds 42 abgeleitet wird, wird eine optimale Synchronisation der Drehzahl der Drehschieber 96 und 98 mit der Drehzahl des Kurvenglieds 42 erreicht, und somit die Freigabe der Gaseinlässe 80, 84 und der Gasauslässe 82, 86 zum jeweils richtigen Zeitpunkt in Abhängigkeit der Drehzahl des Kurvenglieds 42.Characterized in that the rotation of the rotary valve 96, 98 is derived from the rotation of the cam member 42, an optimal synchronization of the rotational speed of the rotary valves 96 and 98 is achieved with the rotational speed of the cam member 42, and thus the release of the gas inlets 80, 84 and the gas outlets 82, 86 at the right time in each case as a function of the rotational speed of the cam member 42.
Mit Bezug auf Fig. 8 wird nachfolgend die Arbeitsweise der Kolbenmaschine 10 näher beschrieben.With reference to FIG. 8, the operation of the reciprocating engine 10 will be described below.
Ausgangspunkt der Beschreibung ist die OT-Stellung der Kolben 22 und 24 und damit einhergehend die UT-Stellung der Kolben 26 und 28. Die Arbeitskammer 38 hat also minimales Volumen, und die Arbeitskammer 40 maximales Volumen.The starting point of the description is the TDC position of the pistons 22 and 24 and, consequently, the UT position of the pistons 26 and 28. The working chamber 38 thus has a minimum volume and the working chamber 40 has a maximum volume.
Wurde in der Arbeitskammer 38 zuvor ein Kraftstoff-Luft-Gemisch verdichtet, kann es ausgehend von der OT-Stellung der Kolben 22 und 24 in der Arbeitskammer 38 gezündet werden, wie durch einen Zündfunken in Fig. 8 angedeutet ist. Nach einer 90°-Umdrehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 haben sich die Kolben 22 und 24 dann von der OT-Stellung in die UT-Stellung bewegt, und es hat der Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) stattgefunden.Was previously compressed in the working chamber 38, a fuel-air mixture, it can be ignited starting from the TDC position of the pistons 22 and 24 in the working chamber 38, as indicated by a spark in Fig. 8. After a 90 ° turn of the cam member 42 about the rotation axis 14, the pistons 22 and 24 have then moved from the TDC position to the BDC position, and the working cycle of expansion has taken place.
In die Arbeitskammer 40 wurde bei entsprechender Stellung des Drehschiebers 98 gemäß Fig. 1 ein Kraftstoff-Luft-Gemisch eingelassen, und während der zuvor beschriebenen 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 bewegen sich die Kolben 26 und 28 aus der UT-Stellung in die OT-Stellung, wodurch das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Arbeitskammer 40 verdichtet wird.In the working chamber 40, a fuel-air mixture was admitted with a corresponding position of the rotary valve 98 shown in FIG. 1, and during the above-described 90 ° rotation of the cam member 42, the pistons 26 and 28 move from the BDC position in the OT Position, whereby the fuel-air mixture in the working chamber 40 is compressed.
Bei einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 nun nachfolgend der Arbeitstakt des Ausstoßens des verbrann- ten Kraftstoff-Luft-Gemisches statt, während in der Arbeitskammer 40 gleichzeitig der Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) nach Zünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches stattfindet. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der OT- Stellung, und die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.In a further 90 ° rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14 is now in the working chamber 38 below the power stroke of ejecting the burned th fuel-air mixture, while in the working chamber 40 at the same time the working cycle of working (expanding) takes place after ignition of the fuel-air mixture. At the end of this cycle are the pistons 22, 24 in the TDC position, and the pistons 26, 28 in the UT position.
Während einer weiteren 90°-Drehung des Kurvenglieds 42 um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft- Gemisches statt, und in der Arbeitskammer 40 der Arbeitstakt des Ausstoßens des verbrannten Kraftstoff-Luft-Gemisches. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der UT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der OT-Stellung.During a further 90 ° rotation of the cam member 42 about the axis of rotation 14 takes place in the working chamber 38, the working stroke of the intake of new fuel-air mixture, and in the working chamber 40, the power stroke of ejecting the combusted fuel-air mixture. At the end of this cycle are the pistons 22, 24 in the BDC position, and the pistons 26, 28 in the TDC position.
Während einer weiteren Drehung des Kurvenglieds 42 um 90° um die Drehachse 14 findet in der Arbeitskammer 38 der Arbeitstakt des Verdichtens und in der Arbeitskammer 40 der Arbeitstakt des Ansaugens neuen Kraftstoff-Luft-Gemisches statt. Am Ende dieses Taktes befinden sich die Kolben 22, 24 in der OT-Stellung, und die Kolben 26, 28 in der UT-Stellung.During a further rotation of the cam member 42 by 90 ° about the axis of rotation 14 takes place in the working chamber 38 of the power stroke of the compression and in the working chamber 40 of the power stroke of the intake of new fuel-air mixture. At the end of this cycle are the pistons 22, 24 in the TDC position, and the pistons 26, 28 in the UT position.
Während einer vollen Umdrehung des Kurvenglieds 42 um 360° um die Drehachse 14 finden somit in beiden Arbeitskammern 38 und 40 die vier Arbeitstakte des Arbeitens, Ausstoßens, Ansaugens, Verdichtens statt, wobei die Arbeitstakte in der Arbeitskammer 38 um 90° phasenverschoben sind.During a full rotation of the cam member 42 by 360 ° about the axis of rotation 14 thus take place in both working chambers 38 and 40, the four working cycles of working, ejecting, sucking, compacting, the work cycles are phase-shifted in the working chamber 38 by 90 °.
Schaltet man nun zwei Kolbenmaschinen 10 parallel zusammen, entsteht eine Kolbenmaschine mit insgesamt vier Arbeitskammern, und wählt man die Anordnung so, dass in den beiden Arbeitskammern der zweiten Kolbenmaschine die Arbeitstakte sowohl untereinander als auch in Bezug auf die Arbeitstakte in den Arbeitskammern 38 und 40 der ersten Kolbenmaschine 10 um jeweils 90° zueinander phasenverschoben sind, lässt sich insgesamt eine Kolbenmaschine realisieren, in der bei jeder Umdrehung der dann zwei Kurvenglieder um 90° ein Arbeitstakt des Arbeitens (Expandierens) stattfindet, so dass auf diese Weise eine lückenlose Abfolge von vier Takten des Arbeitens (Expandierens) bei einer Umdrehung um 360° wie bei einem 8- Zylinder-Motor stattfindet. Turning now two piston machines 10 together in parallel, creates a piston engine with a total of four working chambers, and selects the arrangement so that in the two working chambers of the second piston engine, the working cycles both with each other and with respect to the work cycles in the working chambers 38 and 40 of the The first piston engine 10 are phase-shifted by 90 ° to each other, can be a total of a piston machine realize in each revolution of the then two cam members by 90 ° a working cycle of working (expanding) takes place, so that in this way a complete sequence of four Cycles of working (expanding) in a revolution of 360 ° as an 8-cylinder engine takes place.

Claims

Patentansprüche claims
1. Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse (12), in dem zumindest ein erster Kolben (22) angeordnet ist, der zwischen zwei Endstellungen hin- und herbeweglich ist, um eine an eine erste Endfläche (30) des zumindest einen ersten Kolbens (22) angrenzende Arbeitskammer (38) periodisch zu vergrößern und zu verkleinern, wobei der zumindest eine erste Kolben (22) zumindest ein Führungsglied (52) aufweist, das mit einer an einem in dem Gehäuse (12) angeordneten Kurvenglied (42) ausgebildeten Steuerkurve (48) in Eingriff steht, wobei sich das Kurvenglied (42) in dem Gehäuse (12) konzentrisch und vollumfänglich um eine gehäusefeste Drehachse (14) herum erstreckt und bezüglich der Drehachse (14) radial außerhalb des Kolbens (22) angeordnet ist, wobei dem zumindest einen ersten Kolben (22) ein zweiter Kolben (24) gegenübersteht, der zu dem ersten Kolben (22) gegensinnige hin- und hergehende Bewegungen ausführt, wobei der zweite Kolben (24) eine zweite Endfläche (32) aufweist, die der ersten Endfläche (30) des ersten Kolbens (22) zugewandt ist und sich die Arbeitskammer (38) zwischen den Endflächen (30, 32) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurvenglied (42) um die Drehachse (14) rotierbar in dem Gehäuse (12) gelagert ist, während der zumindest eine erste Kolben (22) und der zweite Kolben (24) nicht um die Drehachse (14) drehbar sind, so dass der zumindest eine erste Kolben (22) und der zweite Kolben (24) beim Rotieren des Kurvengliedes (42) um die Drehachse (14) hin- und hergehende Bewegungen in einer bezüglich der Drehachse (14) festen Bewegungsebene ausführen.A piston engine having a housing (12) in which at least a first piston (22) is arranged, which is reciprocable between two end positions, in order to move one to a first end surface (30) of the at least one first piston (22). periodically increasing and decreasing the adjacent working chamber (38), the at least one first piston (22) having at least one guide member (52) provided with a control cam (48) formed on a cam member (42) disposed in the housing (12). is engaged, wherein the cam member (42) in the housing (12) concentrically and fully around a housing fixed axis of rotation (14) around and with respect to the axis of rotation (14) radially outwardly of the piston (22) is arranged, wherein the at least one a second piston (24) facing the first piston (22), which performs opposite reciprocating movements to the first piston (22), wherein the second piston (24) has a second end surface (32), the first end surface (30) of the first piston (22) faces and the working chamber (38) between the end surfaces (30, 32), characterized in that the cam member (42) about the rotational axis (14) rotatable in the housing ( 12) while the at least one first piston (22) and the second piston (24) are not rotatable about the rotation axis (14) such that the at least one first piston (22) and the second piston (24) rotate of the cam member (42) about the rotation axis (14) reciprocating movements in a fixed relative to the axis of rotation (14) movement plane.
2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (24) ein Führungsglied (54) aufweist, das mit der Steuerkurve (48) des Kurvenglieds (42) in Eingriff steht.2. Piston engine according to claim 1, characterized in that the second piston (24) has a guide member (54) which is in engagement with the control cam (48) of the cam member (42).
3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (14) mittig durch die Arbeitskammer (38) verläuft. 3. Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the axis of rotation (14) extends centrally through the working chamber (38).
4. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine erste Kolben (22) in einem Kolbenkäfig (62) gleitend gelagert ist, der bezüglich des Gehäuses (12) feststehend ist.4. Piston engine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the at least one first piston (22) in a piston cage (62) is slidably mounted, which is fixed with respect to the housing (12).
5. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Kurvenglied (42) eine Welle (72) in Wirkverbindung steht, derart, dass die Rotation des Kurvengliedes (42) in eine Rotation der Welle (72) umgesetzt wird.5. Piston engine according to one of claims 1 to 4, characterized in that with the cam member (42) is a shaft (72) in operative connection, such that the rotation of the cam member (42) is converted into a rotation of the shaft (72) ,
6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (72) über eine Schneckenverzahnung (78) mit dem Kurvenglied (42) verbunden ist.6. Piston engine according to claim 5, characterized in that the shaft (72) via a worm toothing (78) with the cam member (42) is connected.
7. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (12) in Bezug auf die Drehachse (14) stirnseitig ein Gas- einlass (80) und ein Gasauslass (82) vorhanden sind, wobei der Gaseinlass (80) und der Gasauslass (82) mittels eines Drehschiebers (96), der eine Öffnung aufweist, freigegeben und verschlossen wird, der um die Drehachse (14) mit gleicher Drehzahl wie das Kurvenglied (42) rotiert.7. Piston engine according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the housing (12) with respect to the axis of rotation (14) frontally a gas inlet (80) and a gas outlet (82) are provided, wherein the gas inlet ( 80) and the gas outlet (82) by means of a rotary valve (96) having an opening, is released and closed, which rotates about the axis of rotation (14) at the same speed as the cam member (42).
8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotation des Drehschiebers (96) aus der Rotation des Kurvengliedes (42) über ein Getriebe (102) mit einer Übersetzung der Drehzahl von 1:1 abgeleitet wird.8. Piston engine according to claim 7, characterized in that the rotation of the rotary valve (96) from the rotation of the cam member (42) via a transmission (102) with a speed ratio of 1: 1 is derived.
9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass insgesamt vier Kolben (22, 24, 26, 28) in dem Gehäuse (12) angeordnet sind, von denen der erste und ein zweiter Kolben (22, 24) ein erstes Kolbenpaar und ein dritter und ein vierter Kolben (26, 28) ein zweites Kolbenpaar bilden, wobei das zweite Kolbenpaar eine zweite Arbeitskammer (40) definiert, die mit der durch das erste Kolbenpaar definierten Arbeitskammer (38) in einer Ebene liegt, und dass die hin- und hergehenden Bewegungen des ersten und dritten Kolbens (22, 26) gleichgerichtet und die hin- und hergehenden Bewegungen des zweiten und vierten Kolbens (24, 28) gleichgerichtet sind.9. piston engine according to one of claims 1 to 8, characterized in that a total of four pistons (22, 24, 26, 28) in the housing (12) are arranged, of which the first and a second piston (22, 24) a a first pair of pistons and a third and a fourth piston (26, 28) form a second pair of pistons, the second pair of pistons defining a second working chamber (40) lying in a plane with the working chamber (38) defined by the first pair of pistons; the reciprocating movements of the first and third piston (22, 26) are rectified and the reciprocating movements of the second and fourth pistons (24, 28) are rectified.
10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte und vierte Kolben (26, 28) jeweils ein Führungsglied (56, 58) aufweisen, wobei die beiden Führungsglieder (56, 58) in eine weitere Steuerkurve (58) des Kurvengliedes (42) eingreifen.10. Piston engine according to claim 9, characterized in that the third and fourth pistons (26, 28) each have a guide member (56, 58), wherein the two guide members (56, 58) in a further control cam (58) of the cam member ( 42) intervene.
11. Kolbenmaschine nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (22) und der dritte Kolben (26) auf ihrer einander zugewandten Seite miteinander verbunden sind, und der zweite Kolben (24) und der vierte Kolben (28) auf ihrer einander zugewandten Seite miteinander verbunden sind. 11. Piston engine according to claim 9 or 10, characterized in that the first piston (22) and the third piston (26) are connected to each other on its side facing each other, and the second piston (24) and the fourth piston (28) their mutually facing side are interconnected.
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