WO1988007620A1 - Reciprocating piston engine - Google Patents
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Definitions
- the invention has for its object to provide a reciprocating piston engine of whatever type that improves the energy portion of the supplied fuel energy in favor of the "indicated work” achieved and thereby reduce the proportions of the exhaust gas energy and the wall losses accordingly adorns or reduces the drive power required for the production of compressed air, for example.
- Table 1 at the end of the description shows this relationship for a design of a crank mechanism according to the invention, for example.
- the interrupted crankshaft (6) in connection with a main drive shaft (2) is particularly robust, advantageous and much easier to manufacture than a continuous crankshaft (6).
- a separate main drive shaft (2) is driven to jointly transmit power in several cylinders and to stabilize the multi-interrupted crankshaft (6) via gear pairs (10, 11) on the crankshaft (63).
- the speed of this main drive shaft (2) can be optimally predetermined for each desired application by selecting the gear ratio of these gear pairs (10, 11) between the crankshaft (6) and main drive shaft (2) with regard to the downstream transmission and differential.
- the shaft (9) on the connecting rod (5) is supported on both sides in the curved guideways (1, 16) of the crankshaft crankings (4), for example with two special plain or ball bearings (12, 13) with different diameters, see above that the guide always rolls closing at the top and bottom, or in the case of round guideways (16) with slide, roller or ball bearings (17).
- the projection in the direction of the force of the path covered on the periphery of the circular path is as large as or slightly larger than in the conventional design for a given stroke.
- the orbit of the point of engagement of the connecting rod (5) around the crankshaft axis is again indicated by the guide rails (3) described above.
- the balancing and lubrication of the machine according to the invention is ensured using known methods.
- the variable point of engagement of the connecting rod (5) on the crankshaft (6) must be balanced separately.
- crankshaft pieces The storage of the individual crankshaft pieces is possible two or three times depending on the embodiment.
- This additional crank (8) is via a in the pivot point of the crankshaft (6), but independently of this supported on the motor housing, fixed gear and a rotatable on the crank (4) smaller gear GE leads that when rotating the crankshaft (6) drives a gear on the additional crank (8) so that the additional crank (8) is always horizontal when the cylinders are mounted on the crankshaft (6).
- the bearing of the crankshaft piece in question is arranged within the gearwheel supported on the engine housing at the pivot point of the crankshaft (6) independently of the crankshaft (6).
- an additional main drive shaft (2) is required due to the multiple interruption of the crankshaft (6).
- the connecting rod (5) again has the usual lower connecting rod bearing.
- Figure 1 shows a section of a first embodiment of the reciprocating piston machine according to the invention in a schematic representation
- Figure 2 shows an example embodiment of the guide tracks (1) according to the invention
- Figure 3 shows the bearing of the connecting rod (5) fixed shaft (9)
- Figure 4 shows a section along the line IV - IV of Figure 1
- Figure 5 shows another embodiment of the guide track (16) according to the invention
- Figure 6 shows another embodiment of the bearing on the connecting rod (5) located shaft (9)
- FIG. 8 shows a further circular path guiding possibility around the pivot point of the crankshaft axis
- Figure 10 is a calculated circular path around the pivot point of the crankshaft axis with a listing of the corresponding values over 180 ° crank angle movement;
- Figure 11 shows a constructive design of the guideway. (1) in the crank (4) of the crankshaft (6);
- Figure 12 shows a further embodiment of the reciprocating piston machine according to the invention with additional cranking (8) of the crankshaft (6) in four different positions.
- FIG. 1 shows the connecting rod (5 (attached shaft (9) in its guideway (1) at the lower end of the indicated connecting rod).
- the example of a guide rail (3) is shown on which the connecting rod (5) engages the crankshaft
- the main drive shaft (2) is drivingly coupled to each crankshaft section (6) by means of a pair of gearwheels (10, 11), as can be seen in more detail in Figure 4. From Figure 1 it can be seen that the crankshaft ( 6) is laterally offset to the axis of the cylinder (12) In the illustrated position of the crankshaft (5) its effective lever arm is enlarged in relation to the stroke compared to conventional machines.
- Figure 2 shows an example embodiment of the guide tracks (1) according to the invention on the crankshaft cranks (4) which, when the crankshaft (6) rotates, have different points of attack in these guide tracks (1) on a scale of 1: 1 and the leading point of the point of attack possible for this example Piston pressure through the connecting rod (5) on the crankshaft crank (4) of 20 ° crank angle.
- FIG 3 shows the lower end of the connecting rod (5) with the laterally projecting stub shafts (9) for guidance via ball bearings (12, 13) in the guideways (1) of the cranked portions (4) of the crankshaft (6).
- Each stub shaft (9) carries outside two special ball bearings, of which the two outer ball bearings (12) have a smaller outer diameter than the two inner ball bearings (13).
- the two-sided guideways (1) in the cranks (4) each have a step (14) so that the ball bearings (12) and (13) can close and roll diametrically, ie the smaller ball bearing (12) outside the step (14 ) and the larger ball bearing (13) inside the step (14).
- crankshaft (6) is interrupted twice.
- Each crankshaft piece is coupled to the main drive shaft (2) by means of a gear pair (10, 11).
- the guide rails (3) of which two pairs are shown in FIG. 4, are attached to the housing in a stationary manner (7).
- the connecting rods (5) are guided with their shaft ends on the inside via ball bearings in the guide rails (3). With their outer ball bearings, only one of which is indicated, they roll in the guideways (1) of the crankshaft crankings (4).
- Each crankshaft part (6) is supported twice.
- FIG. 6 again shows the lower end of the connecting rod (5) with the laterally projecting shaft journals (9) firmly connected to the connecting rod, at the end of which there are round guide journals (1 6) which are offset eccentrically on both sides and which are located in the round guideways (16) of the crankshaft cranks (4) intervene stored.
- the storage can be done by means of impact-resistant slide, roller, ball or double ball bearings.
- Lead-in the effective leading point of application of the connecting rod to the crankshaft in ° KW.
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Abstract
In a reciprocating piston engine, a torque is exerted through the cylinders, pistons and connecting rod on the lever arm formed by the bend in the crankshaft or a force is exerted on the pistons through the lever arm formed by the bend in the crankshaft and the connecting rod by rotation of the crankshaft. This engine is characterized in that the value of the said lever arm is increased or decreased by frictional engagement on each rotation of the crankshaft in order to improve the efficiency. The connecting rod bearing which engages in the crankshaft describes a structurally predetermined desired and therefore suitable path about the centre of rotation of the crankshaft. The point of application of the force on the crankshaft precedes the actual crank angle movement in the important phases of the working stroke. At top and bottom dead centre, the piston can be maintained completely or almost completely within structurally predetermined limits, despite further movement of the crank angle.
Description
Hub-Kolbenmaschine Stroke piston machine
Hub-Kolbenmaschine, wie Otto- oder Diesel-, Zweitakt- oder Viertakt-Maschinen, erreichen trotz vieler Verbesserungen keinen befriedigenden Ausnutzungsgrad der eingesetzten Brennstoffenergie.In spite of many improvements, reciprocating piston machines such as gasoline or diesel, two-stroke or four-stroke machines do not achieve a satisfactory level of utilization of the fuel energy used.
Laut Lehrbücher von Technischen Universitäten verteilen sich bei Verbrennungskraftmaschinen die Energieanteile in % der zugeführten Brennstoffenergie bei Vollast wie folgt :According to textbooks from technical universities, the share of energy in internal combustion engines is distributed as a percentage of the fuel energy supplied at full load as follows:
Diesel SchiffsdieselDiesel ship diesel
Otto-Motor schnellaufend hochaufgeladenHighly charged petrol engine
Indizierte Arbeit 33 - 35 40 - 43 45 - 48 Abgasenergie 37 - 44 35 - 40 40 - 44Indicated work 33 - 35 40 - 43 45 - 48 exhaust energy 37 - 44 35 - 40 40 - 44
Wandverluste 23 - 28 22 - 25 12 - 14Wall losses 23 - 28 22 - 25 12 - 14
Die hier angegebenen Werte verändern sich sehr bei Teillastbetrieb.The values given here change very much during part-load operation.
Nach weiterem Abzug für Eigenbedarf, Reibung etc. verbleiben für die eigentliche Bewegungsenergie, also die zur Fortbewegung genutzte Energie nur ca. 16 % der vom Brennstoff her eingesetzten Energie.After further deduction for personal use, friction, etc., only about 16% of the energy used by the fuel remains for the actual kinetic energy, i.e. the energy used for locomotion.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hub-Kolbenmaschine gleich welcher Bauart zu schaffen, die den Energieanteil der zugeführten Brennstoffenergie zu Gunsten der erzielten "Indizierten Arbeit" verbessert und dabei die Anteile der Abgasenergie und die der Wandverluste entsprechend redu
ziert oder bei Kompressoren die zur Erzeugung von z.B. Druckluft notwendige Antriebsleistung reduziert.The invention has for its object to provide a reciprocating piston engine of whatever type that improves the energy portion of the supplied fuel energy in favor of the "indicated work" achieved and thereby reduce the proportions of the exhaust gas energy and the wall losses accordingly adorns or reduces the drive power required for the production of compressed air, for example.
Diese Aufgabe wird durch eine Hub-Kolbenmaschine, bei der über Zylinder (19), Kolben und Pleuelstange (5) auf den durch die Kröpfung (4) der Kurbelwelle gebildeten Hebelarm ein Drehmoment bzw. umgekehrt durch die Drehung der Kurbelwelle (6) über den durch die Kröpfung ( 4) gebildeten Hebelarm und die Pleuelstange (5) eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an den Kröpfungen (4) kraftschlüssig in eine gewünschte optimalere Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle (6) geführt wird. Der Angriffspunkt beschreibt nicht, wie bisher üblich eine korrekt kreisförmige Bahn um die Kurbelwellenachse, sondern wird in Führungsbahnen (1,16) in/oder an den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle ( 6), dem Kurbelwinkel vorauseilend, durch Führungsschienen (3) zwangsweise geführt. Dabei kann der Angriffspunkt in jede gewünschte Führungsbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle (6) geführt werden.This task is accomplished by a reciprocating piston machine in which a torque is generated by the cylinder (19), piston and connecting rod (5) on the lever arm formed by the crank (4) of the crankshaft or vice versa by the rotation of the crankshaft (6) via the by the crank (4) formed lever arm and the connecting rod (5) a force is exerted on the piston, according to the invention solved in that the point of application of the connecting rod (5) on the crank (4) non-positively into a desired more optimal orbit around the pivot point of the Crankshaft (6) is guided. The point of application does not describe a correctly circular path around the crankshaft axis, as has been customary so far, but is forcibly guided by guide rails (3) in guideways (1,16) in / or on the cranks (4) of the crankshaft (6), leading the crank angle guided. The point of application can be guided in any desired guideway around the pivot point of the crankshaft (6).
Mit dieser erfindungsgemäßen, kraftschlüssigen und sehr reibungsverlustarmen wahlweisen Führung und dem dabei durch das Abrollen in den Führungsbahnen (1,16) der tatsächlichen Kurbelwinkelbewegung vorauseilende Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) kann z.B. erreicht werden :With this optional, non-positive and very low-friction guide and the point of contact of the connecting rod (5) on the crank (4) of the crankshaft (6) leading the actual crank angle movement by rolling in the guideways (1,16), e.g. can be achieved:
1. Festhalten des Kolbens am OT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.1. Hold the piston on the TDC with further crank angle movement.
2. Quasi, also in gewünschten Grenzen, Festhalten des Kolbens am OT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.
3. Festhalten des Kolbens am UT bei weiterer Kurbelwinkelbewegung.2. Quasi, that is within the desired limits, holding the piston to the TDC with further crank angle movement. 3. Hold the piston on the UT with further crank angle movement.
4. Vorauseilen des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) vor die tatsächliche Kurbelwinkelbewegung.4. Advance the point of engagement of the connecting rod (5) on the crankshaft (6) before the actual crank angle movement.
Zu 1 bis 3To 1 to 3
Während des Festhaltens oder quasi Festhaltens des Kolbens am OT wird durch den hierbei noch in vorbestimmbaren Grenzen ansteigenden Druck über dem Kolben die Kurbelwelle (6) weitergedreht.The crankshaft (6) is rotated further while the piston is being held or virtually being held at the TDC due to the pressure above the piston which rises within predeterminable limits.
Die Druckverlauf-Kurve über dem Kolben kann hierdurch gegenüber dem bekannten Druckverlauf nach Zweckmäßigkeit verändert werden.The pressure curve over the piston can hereby be changed as compared to the known pressure curve for convenience.
Hierdurch kann erreicht werden :This can achieve:
a. Optimierung des Verbrennungsverlaufs.a. Optimization of the combustion process.
b. Optimierung der Verbrennungsdauer.b. Optimization of the burn time.
c. Verbesserung des Gas-Wechselprozesses.c. Improvement of the gas exchange process.
d. Verbesserung des Ladungsverhältnisses. (Dadurch erübrigt sich voraussichtlich die aufwendige Vier-Ventil-Technik)d. Improvement of the charge ratio. (This will probably make the complex four-valve technology unnecessary)
e. Verschieben des max. Druckes über dem Kolben zu größeren Kurbelwinkeln.e. Moving the max. Pressure over the piston to larger crank angles.
f. Verbesserung der Abgas-Werte und Senkung des Kraftstoff-Verbrauchs.
Zu 4f. Improvement of exhaust gas values and reduction of fuel consumption. To 4
Durch das reibungsverlustarme Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) in den Führungsbahnen (1,16) der Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) kommt während der entscheidenden Phasen des Arbeitstaktes immer ein der tatsächlichen Kurbelwinkelbewegung v o r a u s g e e i l t e r Hebelarm zur Wirkung.Due to the low friction loss advance of the connecting rod (5) in the guideways (1,16) of the crank (4) of the crankshaft (6), the actual crank angle movement is always effective during the decisive phases of the work cycle.
Die Tabelle 1 am Ende der Beschreibung zeigt diesen Zusammenhang für eine beispielsweise Auslegung eines erfindungsgemäßen Kurbeltriebes.Table 1 at the end of the description shows this relationship for a design of a crank mechanism according to the invention, for example.
Hier wirkt z.B. schon :Here, e.g. beautiful :
Bei 2° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 8°At 2 ° crank angle (actually) a lever arm of 8 °
Kurbelwinkel.Crank angle.
Bei 5° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 13°At 5 ° crank angle (actually) a lever arm of 13 °
Kurbelwinkel.Crank angle.
Bei 10° Kurbelwinkel (tatsächlich) ein Hebelarm von 30°At 10 ° crank angle (actually) a lever arm of 30 °
Kurbelwinkel.Crank angle.
Etc.Etc.
Die Erfindung erreicht damit :The invention thus achieves:
1. Verbesserung des Verbrennungsprozesses und der LadungswechselVerhältnisse, Erhöhung und in Grenzen Verschiebung des Druckverlaufes über dem Kolben.1. Improving the combustion process and the gas exchange ratios, increasing and, within limits, shifting the pressure curve over the piston.
2. Umsetzung dieses erhöhten Druckes über einen im Verhältnis zum Hub größeren wirksamen Hebelarm in ein größeres Drehmoment bei gleicher Kurbelwinkelbewegung bzw. in der Summe gleichem Hubweg.
Das Führen auf der gewünschten Umlaufbahn des an den Kröpfungen der Kurbelwelle kraftschlüssig angreifenden Pleuelstangenlagers um die Kurbelwellenachse wird dadurch erreicht, daß z.B. an dem an der Kurbelwelle (6J angreifenden Ende der Pleuelstange (5) eine Welle (9) angebracht ist, die beidseitig in Führungsbahnen (1,16) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eingreift. Bei der Drehung der Kurbelwelle (6) wird die gewünschte Bahn durch Führungsschienen (3) bestimmt, in die die Welle (9) am unteren Lager der Pleuelstange (5) beidseitig über entsprechende Lager (15) eingreift.2. Implementation of this increased pressure via a larger lever arm in relation to the stroke into a larger torque with the same crank angle movement or in total the same stroke. Guiding in the desired orbit of the connecting rod bearing, which engages non-positively on the crankshaft of the crankshaft, is achieved in that, for example, a shaft (9) is attached to the end of the connecting rod (5) engaging the crankshaft (6J), which is on both sides in guideways (1, 16) engages in the crankings (4) of the crankshaft (6) When the crankshaft (6) rotates, the desired path is determined by guide rails (3) into which the shaft (9) on the lower bearing of the connecting rod ( 5) engages on both sides via corresponding bearings (15).
Durch die Form der Führungsschienen (3) in Verbindung mit den in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) ausgebildeten Führungsbahnen (1,16) wird erreicht :The shape of the guide rails (3) in conjunction with the guide tracks (1, 16) formed in the crankings (4) of the crankshaft (6) achieves:
1. Verweilen des Kolbens bei den Totpunkten;1. The piston remains at the dead centers;
2. Voreilen des Angriffspunktes an der Kurbelwelle;2. advance the point of attack on the crankshaft;
3. Verlängerung des wirksamen Hebelarmes.3. Extension of the effective lever arm.
Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist die Kurbelwelle (6) nicht, wie üblich, aus einem durchgehenden Teil. Da der Wellenteil, der die Kröpfungen (4) verbindet und an dem bei den heute gebräuchlichen Maschinen das untere Pleuelstangenlager angreift, nicht vorhanden ist, ist die Kurbelwelle (6) bei Mehrzylindermotoren mehrfach unterbrochen.In the construction according to the invention, the crankshaft (6) is not, as usual, made of a continuous part. Since the shaft part, which connects the cranks (4) and on which the lower connecting rod bearing engages in the machines commonly used today, the crankshaft (6) is interrupted several times in multi-cylinder engines.
Die unterbrochene Kurbelwelle (6) ist in Verbindung mit einer Hauptantriebswelle (2) (siehe unten) besonders robust, vorteilhaft und sehr viel einfacher als eine durchgehende Kurbelwelle (6) herzustellen.The interrupted crankshaft (6) in connection with a main drive shaft (2) (see below) is particularly robust, advantageous and much easier to manufacture than a continuous crankshaft (6).
Damit diese einfach und bei mehreren Zylindern auch mehrfach unterbrochene Kurbelwelle die bei den heute ge
bräuchlichen Maschinen gegebene Aufgabe erfüllt, wird zur gemeinsamen Kraftübertragung bei mehreren Zylindern und zur Drehstabilisierung der mehrfach unterbrochenen Kurbelwelle (6) über Zahnradpaare (10,11) an der Kurbelwelle (63 eine separate Häuptantriebswelle (2) angetrieben. Die Drehzahl dieser Hauptantriebswelle (2) ist durch die Wahl des Übersetzungsverhältnisses dieser Zahnradpaare (10,11) zwischen der Kurbelwelle (6) und Hauptantriebswelle (2) bezüglich des nachgeschalteten Getriebes und Differenzials für jeden gewünschten Einsatzfall optimal vorbestimmbar.In order for this crankshaft to be simple and, in the case of several cylinders, also repeatedly interrupted, the crankshaft in the ge given the usual task, a separate main drive shaft (2) is driven to jointly transmit power in several cylinders and to stabilize the multi-interrupted crankshaft (6) via gear pairs (10, 11) on the crankshaft (63). The speed of this main drive shaft (2) can be optimally predetermined for each desired application by selecting the gear ratio of these gear pairs (10, 11) between the crankshaft (6) and main drive shaft (2) with regard to the downstream transmission and differential.
Die Führungsbahnen (1,16) an oder in den Kröpfungen {4) der Kurbelwelle (6) sind so geformt, daß der Druck der an der Pleuelstange (5) befindlichen Welle (9) beim Arbeitshub immer senkrecht auf die Führungsbahnen (1,16) wirkt, oder etwas über 90° der Zentrifugalkraft entgegenwirkend. Dadurch ergibt sich für die Führungsbahnen (1,16) in oder an den Kurbelwellenkröpfungen (4) eine genau bestimmbare gebogene oder runde Form.The guideways (1,16) on or in the cranks {4) of the crankshaft (6) are shaped so that the pressure of the shaft (9) on the connecting rod (5) is always perpendicular to the guideways (1,16 ) acts, or counteracts the centrifugal force slightly above 90 °. This results in a precisely determinable curved or round shape for the guideways (1, 16) in or on the crankshaft cranks (4).
Nur für den Stillstand der Maschine ist es erforderlich, die an der Pleuelstange (5) befindliche Welle (9) beidseitig durch eine Feder nach außen gegen die Laufbahn der ringförmigen Führungsschienen (3) zu drücken. Während des Laufens wird dies durch die entstehende Zentrifugalkraft bewirkt.Only when the machine is at a standstill it is necessary to press the shaft (9) on the connecting rod (5) on both sides against the raceway of the ring-shaped guide rails (3) by means of a spring. During the run this is caused by the centrifugal force.
Die Lagerung der an der Pleuelstange (5) befindlichen Welle (9) beidseitig in den gebogenen Führungsbahnen (1,16) der Kurbelwellenkröpfungen (4) erfolgt z.B. mit je zwei Spezial-Gleit- oder Kugellagern (12,13) mit unterschiedlichen Durchmessern, so daß die Führung immer oben und auch unten schließend abrollt, oder bei runden Führungsbahnen (16) mit Gleit-, Rollen- oder Kugellagern (17). Das Abrollen auf den
Führungsschienen (33 zur Bestimmung der gewünschten Laufbahn des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) geschieht ebenfalls über zwei Lager (15), die links und rechts der Pleuelstange (53 auf der Welle (9) angebracht sind,. Die in den Führungsbahnen (1,16) und auf den Führungsschienen (3) abrollenden Speziallager (15) sind geschlossen und so ausgeführt, daß sie beim Eintauchen in öl geringe zusätzliche "Pantsch-Verluste" bringen. Der Reibungsverlust dieser Lager (15) wurde für diesen Einsatzfall mit je nur 0,1 - 0,3 % für das innere und äußere Abrollen angegeben.The shaft (9) on the connecting rod (5) is supported on both sides in the curved guideways (1, 16) of the crankshaft crankings (4), for example with two special plain or ball bearings (12, 13) with different diameters, see above that the guide always rolls closing at the top and bottom, or in the case of round guideways (16) with slide, roller or ball bearings (17). The roll on the Guide rails (33 for determining the desired raceway of the point of application of the connecting rod (5) in the crankings (4) of the crankshaft (6) are also made via two bearings (15) which are attached to the left and right of the connecting rod (53 on the shaft (9) The special bearings (15) rolling in the guideways (1, 16) and on the guide rails (3) are closed and designed in such a way that they bring little additional "pantsch losses" when immersed in oil. 15) was specified for this application as only 0.1-0.3% for the inner and outer rolling.
Einen aufwendigen Verstellmechanismus und eine aufwendige Umleitung von Kräften gibt es nicht. Es kommen nur für derartige Maschinen bekannte und bewährte Bauelemente zum Einsatz, und damit ist eine den heutigen Maschinen entsprechende Dauerbelastung sicher.There is no complex adjustment mechanism and no complex redirection of forces. Only known and proven components are used for such machines, and thus a permanent load corresponding to today's machines is safe.
Die erfindungsgemäße Hub-Kolbenmaschine erzielt bei gegebenem Hubraum über das größere aufsummierte Drehmoment bei gleicher Drehzahl eine größere Leistung oder eine geforderte Leistung mit kleinerem Hubraum bei entsprechender Reduzierung der Abgas- und Wandverluste.For a given cubic capacity, the reciprocating piston machine according to the invention achieves greater output or the required output with a smaller cubic capacity with a corresponding reduction in exhaust gas and wall losses via the larger total torque at the same speed.
Das Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) bewirkt, daß der erfindungsgemäß durch Festhalten bei OT in gewünschten Grenzen erhöhte Druck über dem Kolben in den wichtigen Phasen des Arbeitstaktes auf einen gegenüber den herkömmlichen Hub-Kolbenmaschinen beträchtlich größeren Hebelarm wirkt.The advance of the point of application of the connecting rod (5) to the crankshaft (6) has the effect that the pressure above the piston increased according to the invention by holding at TDC within desired limits in the important phases of the working cycle on a lever arm which is considerably larger than the conventional reciprocating piston machines .
In der Summe ist die Projektion in Kraftrichtung des an der Peripherie der Kreisbahn zurückgelegten Weges bei gegebenem Hub ebenso groß wie oder etwas größer als bei der herkömmlichen Ausführung.
Durch das konstruktiv bestimmbare Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) kann in gewünschten Bereichen ein im Verhältnis größerer oder kleinerer zurückgelegter Weg an der Peripherie der Kreisbahn erzielt werden.In total, the projection in the direction of the force of the path covered on the periphery of the circular path is as large as or slightly larger than in the conventional design for a given stroke. By constructively determining the advance point of the connecting rod (5) on the crankshaft (6), a relatively larger or smaller distance traveled on the periphery of the circular path can be achieved in desired areas.
Die gleiche Wirkung, die die Führungsbahnen (1) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) erzielen, kann konstruktiv auch mit kreisförmigen "Runden Führungsbahnen" (163 in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6), die mit der an der Pleuelstange (5) angebrachten Welle (9) exzentrisch verbunden sind, erreicht werden.The same effect that the guideways (1) achieve in the cranks (4) of the crankshaft (6) can also be constructed with circular "round guideways" (163 in the cranks (4) of the crankshaft (6), which with the the connecting rod (5) attached shaft (9) are connected eccentrically.
Bei den kreisförmigen "Runden Führungsbahnen" (16) gibt es zwei Ausführungsformen :There are two versions of the circular "round guideways" (16):
1. Die an der Pleuelstange (5) befindliche Welle (9) zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) ist fest mit der Pleuelstange (5) verbunden.1. The shaft (9) located on the connecting rod (5) between the crankings (4) of the crankshaft (6) is firmly connected to the connecting rod (5).
Hierbei sind keine Führungsschienen (3) zur Bestimmung der Umlaufbahn erforderlich. Die Umlaufbahn wird nur durch die Exzentrizität zwischen fester Welle (9) an der Pleuelstange (5) und den an beiden Enden dieser Welle befindlichen runden Führungsbahnen (16) bestimmt (siehe Figur 5).No guide rails (3) are required to determine the orbit. The orbit is only determined by the eccentricity between the fixed shaft (9) on the connecting rod (5) and the round guideways (16) located at both ends of this shaft (see FIG. 5).
2. Die an der Pleuelstange (5) angreifende Welle (9) zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) ist mit der Pleuelstange (5) über Lager drehbar verbunden.2. The shaft (9) engaging on the connecting rod (5) between the crankings (4) of the crankshaft (6) is rotatably connected to the connecting rod (5) via bearings.
Hierbei wird die Umlaufbahn des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) um die Kurbelwellenachse wieder durch die vorher beschriebenen Führungsschienen (3) angegeben.
Die Auswuchtung und Schmierung der erfindungsgemäßen Maschine ist mit bekannten Methoden gewährleistet. Der veränderliche Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) muß separat ausgewuchtet werden.The orbit of the point of engagement of the connecting rod (5) around the crankshaft axis is again indicated by the guide rails (3) described above. The balancing and lubrication of the machine according to the invention is ensured using known methods. The variable point of engagement of the connecting rod (5) on the crankshaft (6) must be balanced separately.
Für die Auswuchtung der Kurbelwelle (6) entfallen die durch die Massen des Pleuelgleitlagers, der halben Pleuelstange (5) und die bisher konstruktiv bedingte kräftige Welle zwischen den Kurbelwellenkröpfungen (4).For the balancing of the crankshaft (6) the masses of the connecting rod plain bearing, the half connecting rod (5) and the strong shaft between the crankshaft crankings (4), which was previously caused by the design, are eliminated.
Das drehende Gewicht der durch die Zentrifugalkraft auf die ringförmigen Führungsschienen (3) wirkenden Massen kann als aufwendigste Lösung z.B. durch ein gleiches, bewegliches Gewicht an den Gegengewichten der Kurbelwellenkröpfungen (4), durch sinngemäß umgekehrt wirkende Führungsschienen (3) geführt, vollständig ausgewuchtet werden.The rotating weight of the masses acting on the ring-shaped guide rails (3) by the centrifugal force can be e.g. are balanced completely by an equal, movable weight on the counterweights of the crankshaft crankings (4), guided by guide rails (3) which act in a reversed manner.
Bei "Boxer-Motoren" kann auf die sinngemäß umgekehrt wirkenden Führungsschienen (3) verzichtet werden.In the case of "boxer engines", the guide rails (3), which act in reverse, can be dispensed with.
Die Lagerung der einzelnen Kurbelwellenstücke ist je nach Ausführungsform zwei- oder dreifach möglich.The storage of the individual crankshaft pieces is possible two or three times depending on the embodiment.
Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine mit einer Kurbelwelle (6) aus mehreren, zwei- oder dreifach gelagerten Wellenteilen wird die Veränderung des Hebelarms der Kurbelwelle (6) dadurch erreicht, daß zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eine zusätzliche Kröpfung (8) angebracht ist.In a further embodiment of the reciprocating piston machine according to the invention with a crankshaft (6) consisting of several, two or three-bearing shaft parts, the change in the lever arm of the crankshaft (6) is achieved in that a between the crank (4) of the crankshaft (6) additional crank (8) is attached.
Diese zusätzliche Kröpfung (8) wird über ein im Drehpunkt der Kurbelwelle (6), aber unabhängig von dieser am Motorgehäuse abgestütztes, feststehendes Zahnrad und ein an der Kröpfung (4) drehbar angebrachtes kleineres Zahnrad ge
führt, das beim Drehen der Kurbelwelle (6) ein an der zusätzlichen Kröpfung (8) festes Zahnrad so antreibt, daß die zusätzliche Kröpfung (8) bei über der Kurbelwelle (6) angebrachten Zylindern immer waagrecht steht. Hierdurch wird das gleiche Ziel wie vorher beschrieben, nämlich die Verlängerung des Hebelarms während des Arbeitstaktes erreicht. Innerhalb des im Drehpunkt der Kurbelwelle (6) unabhängig von der Kurbelwelle (6) am Motorgehäuse abgestützten Zahnrades ist die Lagerung des betreffenden Kurbelwellenstückes angeordnet.This additional crank (8) is via a in the pivot point of the crankshaft (6), but independently of this supported on the motor housing, fixed gear and a rotatable on the crank (4) smaller gear GE leads that when rotating the crankshaft (6) drives a gear on the additional crank (8) so that the additional crank (8) is always horizontal when the cylinders are mounted on the crankshaft (6). This achieves the same goal as previously described, namely the extension of the lever arm during the work cycle. The bearing of the crankshaft piece in question is arranged within the gearwheel supported on the engine housing at the pivot point of the crankshaft (6) independently of the crankshaft (6).
Auch bei dieser Ausführungsform ist durch die mehrfache Unterbrechung der Kurbelwelle (6) eine zusätzliche Hauptantriebswelle (2) erforderlich. Diese Ausführungsform kann auch so ausgelegt werden, daß der Hebelarm in der Mitte des Kompressionshubes = 0 ist oder sogar über 0 hinaus eine drehende Wirkung erzielt. Bei dieser Ausführungsform hat die Pleuelstange (5) wieder das gebräuchliche untere Pleuellager.
In this embodiment too, an additional main drive shaft (2) is required due to the multiple interruption of the crankshaft (6). This embodiment can also be designed so that the lever arm in the middle of the compression stroke = 0 or even achieves a rotating effect beyond 0. In this embodiment, the connecting rod (5) again has the usual lower connecting rod bearing.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigenThe invention is described below with reference to the drawings. Show it
Figur 1 einen Schnitt einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine in schematischer Darstellung; Figur 2 eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahnen (1); Figur 3 die Lagerung der an der Pleuelstange (5) festen Welle (9); Figur 4 einen Schnitt nach der Linie IV - IV der Figur 1; Figur 5 eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahn (16); Figur 6 eine weitere Ausführung der Lagerung an der Pleuelstange (5) befindlichen Welle (9); Figur 7 beispielsweise Kreisbahnführungen um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse; Figur 8 eine weitere Kreisbahnführungs-Möglichkeit um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse; Figur 9 noch eine weitere Kreisbahnführungs-Möglichkeit um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse; Figur 10 eine durchgerechnete Kreisbahnführung um den Drehpunkt der Kurbelwellenachse mit einer Auflistung der entsprechenden Werte über 180° Kurbelwinkel-Bewegung;
Figur 11 eine konstruktive Auslegung der Führungsbahn. (1) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6);Figure 1 shows a section of a first embodiment of the reciprocating piston machine according to the invention in a schematic representation; Figure 2 shows an example embodiment of the guide tracks (1) according to the invention; Figure 3 shows the bearing of the connecting rod (5) fixed shaft (9); Figure 4 shows a section along the line IV - IV of Figure 1; Figure 5 shows another embodiment of the guide track (16) according to the invention; Figure 6 shows another embodiment of the bearing on the connecting rod (5) located shaft (9); FIG. 7, for example, circular path guides around the pivot point of the crankshaft axis; FIG. 8 shows a further circular path guiding possibility around the pivot point of the crankshaft axis; FIG. 9 still another circular path guiding possibility around the pivot point of the crankshaft axis; Figure 10 is a calculated circular path around the pivot point of the crankshaft axis with a listing of the corresponding values over 180 ° crank angle movement; Figure 11 shows a constructive design of the guideway. (1) in the crank (4) of the crankshaft (6);
Figur 12 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine mit zusätzlicher Kröpfung (8) der Kurbelwelle (6) in vier verschiedenen Positionen.Figure 12 shows a further embodiment of the reciprocating piston machine according to the invention with additional cranking (8) of the crankshaft (6) in four different positions.
Figur 1 zeigt die am unteren Ende der nur angedeuteten Pleuelstange (5( angebrachte Welle (9) in ihrer Führungsbahn (1). Außerdem ist die beispielsweise Form einer Führungsschiene (3) dargestellt, auf der der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) über Lager geführt ist. Die Hauptantriebswelle (2) ist mit jedem Kurbelwellenteilstück (6) durch ein Zahnradpaar (10,11) antriebsmäßig gekuppelt, wie aus Figur 4 näher ersichtlich ist. Aus Figur 1 ist zu entnehmen, daß die Kurbelwelle (6) zur Achse des Zylinders (12) in diesem Falle seitlich versetzt ist. In der dargestellten Position der Kurbelwelle (5) ist ihr wirksamer Hebelarm im Verhältnis zum Hub gegenüber den herkömmlichen Maschinen vergrößert.1 shows the connecting rod (5 (attached shaft (9) in its guideway (1) at the lower end of the indicated connecting rod). In addition, the example of a guide rail (3) is shown on which the connecting rod (5) engages the crankshaft The main drive shaft (2) is drivingly coupled to each crankshaft section (6) by means of a pair of gearwheels (10, 11), as can be seen in more detail in Figure 4. From Figure 1 it can be seen that the crankshaft ( 6) is laterally offset to the axis of the cylinder (12) In the illustrated position of the crankshaft (5) its effective lever arm is enlarged in relation to the stroke compared to conventional machines.
Figur 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung der erfindungsgemäßen Führungsbahnen (1) an den Kurbelwellenkröpfungen (4), die bei Drehung der Kurbelwelle (6) unterschiedlichen Angriffspunkte in diesen Führungsbahnen (1) im Maßstab 1 : 1 und die für dieses Beispiel mögliche Voreilung des Angriffspunktes des Kolben-Druckes durch die Pleuelstange (5) auf die Kurbelwellenkröpfung (4) von 20° Kurbelwinkel.Figure 2 shows an example embodiment of the guide tracks (1) according to the invention on the crankshaft cranks (4) which, when the crankshaft (6) rotates, have different points of attack in these guide tracks (1) on a scale of 1: 1 and the leading point of the point of attack possible for this example Piston pressure through the connecting rod (5) on the crankshaft crank (4) of 20 ° crank angle.
Figur 3 zeigt das untere Ende der Pleuelstange (5) mit den seitlich vorstehenden Wellenstümpfen (9) für die Führung über Kugellager (12,13) in den Führungsbahnen (1) der Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6). Jeder Wellenstumpf (9) trägt
außen zwei Spezialkugellager, von denen die beiden äußeren Kugellager (12) einen kleineren Außendurchmesser als die beiden inneren Kugellager (13) haben. Die beiderseitigen Führungsbahnen (1) in den Kröpfungen (4) weisen je eine Stufe (14) auf, so daß die Kugellager (12) und (13) diametral schließen und abrollen können, d.h. das kleinere Kugellager (12) außenseitig der Stufe (14) und das größere Kugellager (13) innenseitig der Stufe (14). Die Wellenstümpfe (9) tragen ferner ganz innen beidseitig je ein weiteres Kugellager (15), mit denen die Wellen .(9) auf den Führungsschienen (3) abrollen, wodurch die gewünschte ringförmige Bahn des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) um die Achse der Kurbelwelle (6) bestimmt wird.Figure 3 shows the lower end of the connecting rod (5) with the laterally projecting stub shafts (9) for guidance via ball bearings (12, 13) in the guideways (1) of the cranked portions (4) of the crankshaft (6). Each stub shaft (9) carries outside two special ball bearings, of which the two outer ball bearings (12) have a smaller outer diameter than the two inner ball bearings (13). The two-sided guideways (1) in the cranks (4) each have a step (14) so that the ball bearings (12) and (13) can close and roll diametrically, ie the smaller ball bearing (12) outside the step (14 ) and the larger ball bearing (13) inside the step (14). The shaft stumps (9) also carry on the inside on both sides a further ball bearing (15) with which the shafts (9) roll on the guide rails (3), so that the desired annular path of the point of engagement of the connecting rod (5) in the crankings ( 4) the crankshaft (6) around the axis of the crankshaft (6) is determined.
Nach Figur 4 ist die Kurbelwelle (6), soweit dargestellt, zweifach unterbrochen. Jedes Kurbelwellenstück ist durch ein Zahnradpaar (10,11) mit der Hauptantriebswelle (2) antriebsmäßig gekuppelt. Die Führungsschienen (3), von denen in Figur 4 zwei Paare dargestellt sind, sind am Gehäuse stationär angebracht (7). Die Pleuelstangen (5) sind mit ihren Wellenstümpfen jeweils innen über Kugellager in den Führungsschienen (3) geführt. Mit ihren äußeren Kugellagern, von denen nur eins angedeutet ist, rollen sie in den Führungsbahnen (1) der Kurbelwellenkröpfungen (4) ab. Jedes Kurbelwellenteil (6) ist zweifach gelagert.According to Figure 4, the crankshaft (6), as far as shown, is interrupted twice. Each crankshaft piece is coupled to the main drive shaft (2) by means of a gear pair (10, 11). The guide rails (3), of which two pairs are shown in FIG. 4, are attached to the housing in a stationary manner (7). The connecting rods (5) are guided with their shaft ends on the inside via ball bearings in the guide rails (3). With their outer ball bearings, only one of which is indicated, they roll in the guideways (1) of the crankshaft crankings (4). Each crankshaft part (6) is supported twice.
Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform mit der erfindungsgemäßen Führungsbahn (16) an den Kurbelwellenkröpfungen (4), und die bei Drehung der Kurbelwelle (6) unterschiedlichen Angriffspunkte des Druckes über dem Kolben durch die Pleuelstange (5) in diesen Führungsbahnen (16). Während des Arbeitshubes eilt der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) der tatsächlichen Winkelbewegung der Kurbelwelle (6) wieder voraus.
Während des Kompressionshubes eilt der Angriffspunkt nach. Die im Beispiel. der Figur 5 sich ergebene Umlaufbahn (18) des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) zeigt ein sehr flaches Verhalten bei OT und UT. Dies ergibt auch die beschriebenen Vorteile bezüglich Ladungswechsel und Brennverlauf.FIG. 5 shows a further embodiment with the guide track (16) according to the invention on the crankshaft cranks (4), and the different points of application of the pressure above the piston when the crankshaft (6) rotates through the connecting rod (5) in these guide tracks (16). During the working stroke, the point of application of the connecting rod (5) hurries ahead of the actual angular movement of the crankshaft (6). The point of attack lags behind during the compression stroke. The one in the example. The resulting orbit (18) of the point of engagement of the connecting rod (5) on the crankshaft (6) shows a very flat behavior in TDC and LDC. This also gives the described advantages with regard to charge changes and the course of combustion.
Figur 6 zeigt wieder das untere Ende der Pleuelstange (5) mit den seitlich vorstehenden fest mit der Pleuelstange verbundenen Wellenzapfen (9) an deren Ende sich beidseitig exzentrisch versetzte runde Führungszapfen (1 6) befinden, die in den runden Führungsbahnen (16) der Kurbelwellenkröpfungen (4) gelagert eingreifen. Die Lagerung kann mittels stoßfesten Gleit-, Roll-, Kugel- oder Doppelkugel-Lager, erfolgen.FIG. 6 again shows the lower end of the connecting rod (5) with the laterally projecting shaft journals (9) firmly connected to the connecting rod, at the end of which there are round guide journals (1 6) which are offset eccentrically on both sides and which are located in the round guideways (16) of the crankshaft cranks (4) intervene stored. The storage can be done by means of impact-resistant slide, roller, ball or double ball bearings.
Figur 7 zeigt verschiedene Möglichkeiten der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) um die Kurbelwellenachse mit unterschiedlicher Voreilung des Angriffspunktes, unterschiedlich langem Festhalten bei OT, unterschiedlicher Verlängerung des wirksamen Hebelarmes. Die Kurve 1 beschreibt die herkömmliche Kreisbahn. Die Kurve 2 zeigt eine beispielsweise Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse. Die Kurve 3 zeigt eine weitere beispielsweise Bahnführung. Die Kurve 4 zeigt z.B. die Reduzierung der wirksamen Hebelarmlänge während des Kompressionshubes. Des weiteren zeigt Figur 7 unterschiedliche Schränkungen zwischen der Achse der Kurbelwelle (6) und Achse des Kolbens, "h1" und "h2" zeigt die mögliche Differenz des zurückgelegten Weges.Figure 7 shows various ways of guiding the point of application of the connecting rod (5) around the crankshaft axis with different advance of the point of application, different holding times at TDC, different extension of the effective lever arm. Curve 1 describes the conventional circular path. Curve 2 shows, for example, a path of the connecting point of the connecting rod around the crankshaft axis. Curve 3 shows a further web guide, for example. Curve 4 shows, for example, the reduction in the effective lever arm length during the compression stroke. Furthermore, Figure 7 shows different offsets between the axis of the crankshaft (6) and the axis of the piston, "h 1 " and "h 2 " shows the possible difference of the distance traveled.
Figur 8 zeigt eine weitere Möglichkeit der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange um die Kurbelwellenachse, bei der OT schon vor 0° bzw. 360° Kurbelwinkel erreicht wird.
Figur 9 zeigt eine weitere Möglichkeit der Bahnführung des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) um die Kurbelwellenachse, bei der die Führungsbahn nur im Bereich von 0° bis 90° Kurbelwinkel von der herkömmlichen Kreisbahn abweicht.FIG. 8 shows a further possibility of guiding the connecting point of the connecting rod around the crankshaft axis, in which TDC is reached before 0 ° or 360 ° crank angle. FIG. 9 shows a further possibility of guiding the point of application of the connecting rod (5) around the crankshaft axis, in which the guideway only deviates from the conventional circular path in the range from 0 ° to 90 ° crank angle.
Figur 10 zeigt eine durchgerechnete, beispielsweise Kreisbahnführung iKreisbahn 103 für einen Beispiels-Motor: Hub = 84 mm, Bohrung = 90 mm ∅, Pleuellänge = 120 mm, Schränkung = 0 mm. Festhalten bei OT bis 8° Kurbelwinkel und maximale Voreilung des Angriffspunktes der Pleuelstange an der Kurbelwelle von 22°. Durch die Voreilung wirkt z.B. bei einem tatsächlich zurückgelegten Kurbelwinkel von 2° der Hebelarm von 8° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 1,47 mm wirken 5,92 mm Hebelarm. Bei 5° Kurbelwinkel wirkt der Hebelarm von 19° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 3,60 mm wirken 14,8 mm Hebelarm. Bei 10° Kurbelwinkel wirkt der Hebelarm von 30° Kurbelwinkel. Das heißt, anstelle von 7,47 mm wirken 25,33 mm Hebelarm. Aus beiliegender Liste sind alle Werte von 0° bis 180° zu ersehen.FIG. 10 shows a calculated, for example circular path guide in a circular path 103 for an example motor: stroke = 84 mm, bore = 90 mm ∅, connecting rod length = 120 mm, offset = 0 mm. Hold at TDC of up to 8 ° crank angle and maximum lead of the connecting rod on the crankshaft of 22 °. Due to the advance, e.g. with an actually traveled crank angle of 2 ° the lever arm of 8 ° crank angle. That means 5.92 mm lever arm instead of 1.47 mm. At a crank angle of 5 °, the lever arm acts at a crank angle of 19 °. That means 14.8 mm lever arm instead of 3.60 mm. At a crank angle of 10 °, the lever arm acts at a crank angle of 30 °. That means, instead of 7.47 mm, 25.33 mm lever arm. All values from 0 ° to 180 ° can be seen from the attached list.
Figur 11 zeigt die konstruktive Auslegung der Führungsbahn (1) in den Kröpfungen der Kurbelwelle (6) für das nach Figur 10 und der beiliegenden Auflistung gerechnete Beispiel. Hieraus ist die maximale Voreilung von 22° und die Verlängerung des Radius r = 42 mm bei diesem Beispiel während der Voreilung des Angriffspunktes der Pleuelstange bis r = 56,3 mm zu ersehen.FIG. 11 shows the design of the guideway (1) in the cranked crankshaft (6) for the example calculated according to FIG. 10 and the attached list. From this, the maximum advance of 22 ° and the extension of the radius r = 42 mm can be seen in this example during the advance of the point of application of the connecting rod up to r = 56.3 mm.
Bei der in Figur 12 dargestellten Ausführungsform in vier verschiedenen Kurbelwellenpositionen ist zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eine zusätzliche Kröpfung (8) so angebracht, daß sie bei über der Kurbelwelle angebrachten Zylindern (19) - wie dargestellt - immer waagrecht steht, wie dies bei allen vier dargestellten Kurbelwellen
Positionen ersichtlich ist. Während des Arbeitshubes (Darstellung C) wird die Kröpfung (4) der Kurbelwelle (6) durch die zusätzliche Kröpfung (8) verlängert, während die Kröpfungen (4) und (8) sich in der Position A subtrahieren und in den Positionen B, und D die Position der Kröpfung (4) der Kurbelwelle (6) durch die zusätzliche Kröpfung (8) in derIn the embodiment shown in FIG. 12 in four different crankshaft positions, an additional crank (8) is attached between the crankings (4) of the crankshaft (6) in such a way that it is always horizontal, as shown, when the cylinders (19) are mounted above the crankshaft as is the case with all four crankshafts shown Positions can be seen. During the working stroke (illustration C), the cranking (4) of the crankshaft (6) is extended by the additional cranking (8), while the cranking (4) and (8) subtract in position A and in positions B, and D the position of the crank (4) of the crankshaft (6) through the additional crank (8) in the
Höhe, also der Hub, nicht verändert wird.Height, i.e. the stroke, is not changed.
Rechendurchläufe können nicht über die heute gebräuchliche, weil um 3 Winkelfunktionen kleinere, "pmi - Formel" sondern müssen über die etwas aufwendigere "Md - Formel" durchgeführt werden, denn nur hierbei werden die Auswirkungen des in den wichtigen Phasen unterschiedlich großen wirksamen Hebelarmes erkennbar.Computation runs cannot be carried out using the "p mi formula" that is common today because it is smaller by 3 angular functions, but must be carried out using the somewhat more complex "Md formula", because this is the only way to recognize the effects of the lever arm, which is of different sizes in the important phases .
Bei erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschinen ist Md > pmi !In reciprocating piston machines according to the invention, Md> p mi !
Unterschiedliche Varianten der erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine sind durchgerechnet und ergeben z.B. eine Verteilung der Energieanteile in % der zugeführten Brennstoffenergie wie folgt :Different variants of the reciprocating piston machine according to the invention are calculated and give e.g. A distribution of the energy shares in% of the fuel energy supplied as follows:
Diesel SchiffsdieselDiesel ship diesel
Otto-Motor schnellaufend hochaufgeladenHighly charged petrol engine
Indidzierte Arbeit 50 - 67 60 - 72 70 - 77 Abgasenergie 30 - 21 25 - 17 23 - 17 Wandverluste 20 - 12 15 - 11 7 - 6Indicated work 50 - 67 60 - 72 70 - 77 Exhaust energy 30 - 21 25 - 17 23 - 17 Wall losses 20 - 12 15 - 11 7 - 6
Wenn man z. Zt. sagt, daß bei einem Mittelwert von 34 % an erzielter indizierter Arbeit einer Hub-Kolbenmaschine für Eigenbedarf und sonstigen Verlusten weitere 18 % verloren
gehen und nur ca. 16 % für den wirklichen Antrieb verbleiben, kann man ungünstigenfalls auch bei den gerechneten Beispielen 18 % für Eigenbedarf und sonstigen Verlusten abziehen. Das bedeutet: entsprechend kleinerer Hubraum zur Erzielung der heute verbleibenden ca. 16 % für den Antrieb.If you e.g. Zt. Says that with an average of 34% of indexed work achieved by a reciprocating piston machine for personal use and other losses, another 18% lost go and only about 16% remain for the actual drive, you can also subtract 18% for your own needs and other losses in the calculated examples. This means: correspondingly smaller displacement to achieve the approx. 16% remaining today for the drive.
Neben allen zur Zeit laufenden Bemühungen um Treibstoffeinsparungen und weniger Umweltbelastung kann die erfindungsgemäße Hub-Kolbenmaschine eine weitere beträchtliche Reduzierung bewirken.In addition to all current efforts to save fuel and reduce the environmental impact, the reciprocating piston machine according to the invention can bring about a further considerable reduction.
Rechenbeispiel :Calculation example:
Hub-Kolbenmaschine Hub = 84 mmStroke piston machine stroke = 84 mm
Bohrung = 90 mm ∅ Pleuellänge = 120 mm Schränkung = 0 mmBore = 90 mm ∅ connecting rod length = 120 mm offset = 0 mm
In der nachfolgenden Tabelle 1 bedeuten :In Table 1 below:
° KW = ° Kurbelwinkel (tatsächlich)° KW = ° crank angle (actual)
Voreilung = der tatsächlich zur Wirkung kommende vorgeeilte Angriffspunkt der Pleuelstange an der Kurbelwelle in ° KW.Lead-in = the effective leading point of application of the connecting rod to the crankshaft in ° KW.
sin r = wirksamer Hebelarm einer Hub-Kolbenmaschine herkömmlicher Bauart.
r1 = erfindungsgemäßer Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel ohne Voreilung und Führungsbahn = Kreisbahn 10 der Figur 10.sin r = effective lever arm of a conventional reciprocating piston machine. r 1 = radius according to the invention at the respective crank angle without leading and guideway = circular path 10 of FIG. 10.
r1 mit Voreilung = erfindungsgemäßer Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel mit Voreilung und Führungsbähn = Kreisbahn 10 der Figur 10.r 1 with lead = radius according to the invention at the respective crank angle with lead and guide track = circular path 10 of FIG. 10.
sin r1 = erfindungsgemäßer wirksamer Hebelarm einer Hub- Kolbenmaschine mit Voreilung, Führungsbahn = Kreisbahn 10 der Figur 10.sin r 1 = effective lever arm according to the invention of a reciprocating piston machine with lead, guideway = circular path 10 of FIG. 10.
r2, = erfindungsgemäßer Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel ohne Voreilung und Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Figur 7.r 2 , = radius according to the invention at the respective crank angle without leading and guideway = circular path 2 of FIG. 7.
r2 mit Voreilung = erfindungsgemäßer Radius bei dem jeweiligen Kurbelwinkel mit Voreilung und Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Figur 7.r 2 with leading = radius according to the invention at the respective crank angle with leading and guideway = circular path 2 of FIG. 7.
sin r2 = wirksamer Hebelarm mit Voreilung einer erfindungsgemäßen Hub-Kolbenmaschine, Führungsbahn = Kreisbahn 2 der Figur 7.sin r 2 = effective lever arm with advance of a reciprocating piston machine according to the invention, guideway = circular path 2 of FIG. 7.
Die dieser Erfindung zugrunde liegenden Kurbeltrieb-Varianten sind in der Technik überall anwendbar, wenn eine gerade wirkende Kraft in eine drehende umgewandelt werden muß; z.B. auch Fahrrad-Pedale.
m The crank drive variants on which this invention is based can be used anywhere in technology when a force which is currently acting has to be converted into a rotating force; eg bicycle pedals. m
Claims
1. Hub-Kolbenmaschine, wie Otto-, Diesel-, Zweitaktoder Viertakt-Verbrennungsmaschine oder Kolbenkompressor, bei der über Zylinder (19), Kolben und Pleuelstange (5) auf den durch die Kröpfung (4) der Kurbelwelle gebildeten Hebelarm eine drehende Wirkung ausgeübt wird bzw. durch die Drehung der Kurbelwelle (6) über den durch ihre Kröpfung (4) gebildeten Hebelarm und die Pleuelstange (5) eine Kraft auf den Kolben ausgeübt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt an den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) kraftschlüssig in eine gewünschte Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle (6) geführt wird.1. reciprocating piston machine, such as gasoline, diesel, two-stroke or four-stroke internal combustion engine or piston compressor, in which the cylinder arm (19), piston and connecting rod (5) exerts a rotating effect on the lever arm formed by the crank (4) of the crankshaft a force is exerted on the piston or by the rotation of the crankshaft (6) via the lever arm formed by its crank (4) and the connecting rod (5), characterized in that the point of application on the crankshaft (4) of the crankshaft ( 6) is positively guided into a desired orbit around the pivot point of the crankshaft (6).
2. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) so geführt wird, daß der Kolben bei OT und UT in gewünschten Grenzen verharrt, oder/ und daß OT des Kolbens schon vor Erreichen von 0° bzw. 360° Kurbelwinkel erreicht wird.2. reciprocating piston machine according to claim 1, characterized in that the point of engagement of the connecting rod (5) in the crank (4) of the crankshaft (6) is guided so that the piston remains at desired limits at TDC and TDC, or / and that TDC of the piston is reached before reaching 0 ° or 360 ° crank angle.
3. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe des wirksamen Hebelarms bei jeder Umdrehung der Kurbelwelle (6) nach zweckmäßiger Wirksamkeit vergrößert bzw. verkleinert.3. reciprocating piston machine according to claim 1 or 2, characterized in that the size of the effective lever arm increases or decreases with each revolution of the crankshaft (6) after appropriate effectiveness.
4. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Festhalten des Kolbens bei OT, bei noch ansteigendem Druck über dem Kolben durch Abstützen an bzw. in den sich drehenden Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6), dabei in Drehrichtung wirkend, erreicht wird.4. reciprocating piston machine according to claim 1 to 3, characterized in that the holding of the piston at TDC, with still increasing pressure above the piston by supporting on or in the rotating cranks (4) of the crankshaft (6), thereby in Acting direction of rotation is achieved.
5. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Angriffspunkt der Pleuelstange (5) auf Führungsbahnen (1,16) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) senkrecht wirkend, so abrollt, daß der wirksame Angriffspunkt im Bereich von 0° bis über 90° Kurbelwinkel dem wirklich zurückgelegten Kurbelwinkel vorauseilt und dadurch ein entsprechend größerer Hebelarm zur Wirkung kommt, als der wirklichen KurbelStellung entspricht.5. reciprocating piston machine according to claim 1 to 4, characterized in that the point of engagement of the connecting rod (5) on guideways (1,16) in the crank (4) of the crankshaft (6) acting vertically, so that the effective point of attack in the range from 0 ° to over 90 ° crank angle leads the really traveled crank angle and thereby a lever arm that is correspondingly larger comes into effect than corresponds to the actual crank position.
6. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Voreilen des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) in den Führungsbahnen (1,16) der Kurbelwellenkröpfungen (43 auch die in Kraftrichtung wirksame Projektion des an der Peripherie der Kreisbahn zurückgelegten Weges dem wirklich zurückgelegten Kurbelwinkel in gewünschter und zweckmäßiger Größe vorauseilt.6. reciprocating piston machine according to claim 1 to 5, characterized in that by advancing the point of application of the connecting rod (5) in the guideways (1, 16) of the crankshaft crankings (43), the effective projection of the distance traveled on the periphery of the circular path Way ahead of the really traveled crank angle in the desired and appropriate size.
7. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungswellen zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) fehlen, an den Kröpfungen (4) Führungsbahnen (1,16) ausgebildet sind und daß an dem an der Kurbelwelle (6) angreifenden Ende der Pleuelstange (5) eine Welle (9) ist.7. reciprocating piston machine according to claim 1 to 6, characterized in that the connecting shafts between the crankings (4) of the crankshaft (6) are missing, on the crankings (4) Guideways (1,16) are formed and that at the end of the connecting rod (5) engaging the crankshaft (6) is a shaft (9).
8. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9( beidseitig Gleit- oder Kugellager (15) hat, die über jeweils zwei Führungsschienen (3) den Angriffspunkt der Pleuelstange (5) an der Kurbelwelle (6) in die gewünschte Form einer Umlaufbahn um den Drehpunkt der Kurbelwelle (6) führen.8. reciprocating piston machine according to claim 1 to 7, characterized in that the on the connecting rod (5) attached shaft (9 (on both sides slide or ball bearing (15) which has two guide rails (3) the point of application of the connecting rod ( 5) on the crankshaft (6) into the desired shape of an orbit around the pivot point of the crankshaft (6).
9. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9) jeweils zwischen zwei Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) über beidseitig je zwei Kugellager, Nadellager oder sonstige Lagertypen (12,13) mit unterschiedlichen Durchmessern in die Führungsbahnen (1) eingreifen und auf jeder Seite in den Führungsbahnen (1) ein Kugellager (13) oben und das zweite Kugellager (12) unten schließend abrollt.9. reciprocating piston machine according to claim 1 to 8, characterized in that the connecting rod (5) attached shaft (9) between two crankings (4) of the crankshaft (6) on both sides of two ball bearings, needle bearings or other bearing types ( 12, 13) with different diameters engage in the guideways (1) and on each side in the guideways (1) a ball bearing (13) rolls up and the second ball bearing (12) closes below.
10. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Pleuelstangenwellen (9) in den Führungsbahnen ( 1 , 16) der Kurbelwellenkröpfungen (4) mit z.B. beidseitig einer Feder nach außen gegen die Führungsschienen (3) gedrückt werden.10. reciprocating piston machine according to claim 1 to 9, characterized in that the connecting rod shafts (9) in the guideways (1, 16) of the crankshaft crankings (4) with e.g. a spring is pressed outwards on both sides against the guide rails (3).
11. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugellager, Nadellager oder sonstige Lagertypen (12,13) der Pleuelstangenwelle (9) an beiden Enden, an einem Ende oder an keinem Ende der Führungsbahnen (1) schließend anliegen. 11. reciprocating piston machine according to claim 1 to 10, characterized in that the ball bearings, needle bearings or other bearing types (12,13) of the connecting rod shaft (9) at both ends, at one end or at no end of the guideways (1) close .
12. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahnen (1,16) an den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) so geformt sind, daß der Druck der Pleuelstange (5) während der Kraftübertragung senkrecht auf die Führungsbahnen (1,16) wirkt oder etwas über 90° der Zentrifugalkraft entgegenwirkend angreift.12. reciprocating piston machine according to claim 1 to 11, characterized in that the guide tracks (1,16) on the cranks (4) of the crankshaft (6) are shaped such that the pressure of the connecting rod (5) during the power transmission perpendicular to the guideways (1, 16) act or counteract slightly above 90 ° of the centrifugal force.
13. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pleuelstange (5) angebrachte Welle (9) beidseitig in gewünschten Maßen exzentrisch zur Welle "Runde Führungsbahnen" (16) hat, die über Kugellager, Rollenlager oder Gleitlager (17) in den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) eingreifen.13. reciprocating piston machine according to claim 1 to 7 and 10, characterized in that the connecting rod (5) attached shaft (9) on both sides in the desired dimensions eccentrically to the shaft "round guideways" (16), the ball bearings, roller bearings or slide bearings (17) engage in the crankings (4) of the crankshaft (6).
14. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 7 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konstruktion mit "Runden Führungsbahnen" (16) und dabei fester Welle (9) an der Pleuelstange (5) die Bahn die der Angriffspunkt der Pleuelstange um die Achse der Kurbelwelle beschreibt, nicht durch Führungsschienen (3), sondern nur durch die Exzentrizität der "Runden Führungsbahnen" (16) zur festen Welle (9) an der Pleuelstange (5) bestimmt wird.14. reciprocating piston machine according to claim 1 to 7 and 13, characterized in that in the construction with "round guideways" (16) and thereby fixed shaft (9) on the connecting rod (5), the path that the point of application of the connecting rod to the Axis of the crankshaft describes, not by guide rails (3), but only by the eccentricity of the "round guideways" (16) to the fixed shaft (9) on the connecting rod (5).
15. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1 bis 8 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Konstruktion mit "Runden Führungsbahnen" (16) die gewünschte Bahn des Angriffspunktes der Pleuelstange (5) um die Achse der Kurbelwelle (6) durch Führungsschienen (3) bestimmt wird und dabei die Pleuelstange (5) über ein Lager drehbar an der Welle (9) angreift.15. reciprocating piston machine according to claim 1 to 8 and 13, characterized in that in the construction with "round guideways" (16) the desired path of the point of engagement of the connecting rod (5) about the axis of the crankshaft (6) by guide rails (3rd ) is determined and the connecting rod (5) rotatably engages the shaft (9) via a bearing.
16. Hub-Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur gemeinsamen Kraftübertragung bei mehreren Zylindern (19) und zur Dreh-Stabilisierung der mehrfach unterbrochenen Kurbelwelle (63 über Zahnräder (10,11) eine separate Hauptantriebswelle (2) angetrieben ist und die Drehzahl der Hauptantriebswelle (2) durch die Wahl des über- oder Untersetzungsyerhältnisses der Zahnräder16. reciprocating piston machine according to one of claims 1 to 15, characterized in that for the common power transmission in several cylinders (19) and for rotational stabilization of the multi-interrupted crankshaft (63 via gears (10, 11) a separate main drive shaft (2) is driven and the speed of the main drive shaft (2) by the choice of the ratio of the gears
(10,11) für jeden gewünschten Einsatzfall optimal vorbestimmt ist.(10,11) is optimally predetermined for each desired application.
17. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 1, 3 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurbelwelle (6) mehrfach unterbrochen ist, die Kurbelwellenteile je zwei- oder dreifach gelagert sind und zwischen den Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) je eine zusätzliche Kröpfung (8) angebracht ist.17. reciprocating piston machine according to claim 1, 3 and 16, characterized in that the crankshaft (6) is interrupted several times, the crankshaft parts are each mounted two or three times and between the crankings (4) of the crankshaft (6) each an additional Crank (8) is attached.
18. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kröpfungen (8) über Zahnräder so geführt sind, daß während des Arbeitshubes die Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) um die zusätzlichen Kröpfungen (8) verlängert sind, während des Kompressionshubes die Kröpfungen (4) der Kurbelwelle (6) um die zusätzlichen Kröpfungen (8) verkürzt sind und beim oberen und unteren Totpunkt des Kolbens die zusätzlichen Kröpfungen (83 die Kurbelwellenkröpfungen (4) nicht verlängern.18. reciprocating piston machine according to claim 17, characterized in that the additional crankings (8) are guided via gears so that the crankings (4) of the crankshaft (6) are extended by the additional crankings (8) during the working stroke, while of the compression stroke the crankings (4) of the crankshaft (6) are shortened by the additional crankings (8) and the additional crankings (83 do not extend the crankshaft crankings (4) at the top and bottom dead center of the piston.
19. Hub-Kolbenmaschine nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Kröpfungen (8) so ausgelegt sind, daß der wirksame Hebelarm während des Kompressionshubes = 0 ist oder sogar über 0 hinaus eine drehende Wirkung erzielt. 19. reciprocating piston machine according to claim 17 or 18, characterized in that the additional crankings (8) are designed so that the effective lever arm during the compression stroke = 0 or even achieves a rotating effect beyond 0.
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