CH714074A2

CH714074A2 - Three-stroke piston engine with possible variable compression during operation.

Info

Publication number: CH714074A2
Application number: CH01041/17A
Authority: CH
Inventors: Portmann Bruno
Original assignee: Portmann Bruno
Priority date: 2017-08-21
Filing date: 2017-08-21
Publication date: 2019-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Dreitaktkolbenmaschine mit möglicher variabler Verdichtung unter Last. Zum Erreichen der Dreitakte, Verdichten, Arbeiten und Spülen mit einer Auf- und Abbewegung eines Kolbens durchfährt der Kurbelzapfen (3) auf seiner Bahn einen dreiecksförmigen (1) oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf, sodass jeder vom Kurbelzapfen (3) durchfahrenen Dreiecksseite ein Arbeitstakt zugeordnet werden kann. Die variable Kraftübertragung auf die Kurbelwelle oder Lagerscheibe wird erreicht, indem man die Kurbelwelle durch ein System aus Rollkreis (4) und einem darin oder darauf abdrehendem Ritzel (5), welches auf einer Kurbel oder in einer Lagerscheibe gelagert wird, ersetzt. Das Durchmesserverhältnis von Rollrad (4) zu Ritzel (5) muss drei zu eins oder drei zu zwei betragen. Der Kurbelzapfen (3) wird mit dem abdrehenden Ritzel (5) direkt oder über Kurbelwangen (6) verbunden, sodass er ausserhalb der Ritzelzentrumsachse zu liegen kommt. Dreht nun der mit dem Ritzel (5) verbundene Kurbelzapfen (3) im oder auf dem Rollkreisrad (4) ab, entsteht am Kurbelzapfen (3) ein sich wiederholender dreiecksförmiger (1) oder dreiblattförmiger Bewegungsablauf. Vorzugsweise durch Vorwärts- oder Rückwärtsdrehen des Rollkreisrades (4) im Maschinengehäuse wird der Bewegungsablauf am Kurbelzapfen (3) gegenüber dem Kolbenhub verschoben und der Kolben (8) wird eine höhere oder geringere Verdichtung erreichen. Mit dieser Verdrehung des Rollkreisrades (4) ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Verdichtung in einer Dreitaktkolbenmaschine zu verändern.The invention relates to a three-stroke piston engine with possible variable compression under load. To achieve the three-stroke, compacting, working and rinsing with an up and down movement of a piston passes through the crank pin (3) on its path a triangular (1) or triad shaped movement, so each of the crank pin (3) traversed triangle side can be assigned a power stroke , The variable transmission of power to the crankshaft or bearing plate is achieved by replacing the crankshaft with a system of pitch circle (4) and a pinion (5) rotating thereon or on it, which is mounted on a crank or in a bearing disc. The diameter ratio of rolling wheel (4) to pinion (5) must be three to one or three to two. The crank pin (3) is connected to the rotating pinion (5) directly or via crank arms (6) so that it comes to rest outside the pinion center axis. If now the crank pin (3) connected to the pinion (5) rotates in or on the rolling circle wheel (4), a repetitive triangular (1) or three-bladed motion sequence arises on the crank pin (3). Preferably, by forward or reverse rotation of the rolling circle (4) in the machine housing, the movement of the crank pin (3) is shifted relative to the piston stroke and the piston (8) will achieve a higher or lower compression. With this rotation of the rolling circle (4) results in a simple way to change the compression in a Dreitaktkolbenmaschine.

Description

Beschreibungdescription

Technisches Gebiet: [0001] Die Erfindung betrifft eine Dreitaktkolbenmaschine, die zum Erreichen des Dreitaktverfahrens anstelle eines radial kreisenden Kurbelzapfens eine Kurbelzapfensteuerung nutzt, mit der am Kurbelzapfen ein dreiecksförmiger oder ein dreiblattförmiger Bewegungsablauf erreicht wird. Damit steht jede Dreieckseite, die vom Kurbelzapfen durchfahren wird, für einen Arbeitstakt; nämlich Verdichten, Arbeiten und Spülen (Ladungswechsel). Ergänzt man ein solches Kurbelzapfensteuerungsprinzip durch die Möglichkeit, das Rollkreisrad im Maschinengehäuse vor- oder rückwärts zu drehen, kann mit dieser Verdrehung die Verdichtung unter Last variiert oder an den verwendeten Kraftstoff angepasst werden.TECHNICAL FIELD The invention relates to a three-stroke piston engine that uses a crankpin control instead of a radially rotating crankpin to achieve the three-stroke method, with which a triangular or a three-blade movement is achieved on the crankpin. Thus, each triangle side, which is traversed by the crank pin, stands for a power stroke; namely compacting, working and rinsing (charge exchange). If such a crankpin control principle is supplemented by the possibility of rotating the rolling circle wheel in the machine housing forwards or backwards, this rotation can be used to vary the compression under load or to adapt it to the fuel used.

Stand der Technik: [0002] Beim heutigen Stand der Technik werden Zwei- und Viertaktmaschinen genutzt. Der Nachteil der Zweitaktmaschine besteht darin, dass für die Spülung (Ladungswechsel) ein wesentlicher Teil der Hubarbeit geopfert werden muss und beim Viertaktverfahren wird ein Ladungswechsel mit einer zusätzlichen Kurbelwellenumdrehung und der zugehörigen quasi unnötigen Hubarbeit erkauft.Background Art: [0002] Two-stroke and four-stroke engines are used in the current state of the art. The disadvantage of the two-stroke engine is that the purging (charge change) a substantial part of the lifting work must be sacrificed and the four-stroke process, a charge change with an additional crankshaft revolution and the associated quasi unnecessary lifting work is bought.

Darstellung der Erfindung: [0003] Mit dem hier dargestellten Dreitaktverfahren sollen die wesentlichen Nachteile, welche beim Zwei- und beim Viertaktverfahren bestehen soweit behoben werden, dass ein Zweitaktverfahren mit einem zusätzlichen Takt für die Spülung oder ein Viertaktverfahren mit nur einer Auf- und Abbewegung der oder des Kolbens resultiert.DESCRIPTION OF THE INVENTION [0003] With the three-stroke method shown here, the main disadvantages which exist in the two- and four-stroke methods are to be remedied to the extent that a two-stroke process with an additional cycle for the flushing or a four-stroke process with only one up and down movement of the or the piston results.

[0004] Erreichen lässt sich ein solches Dreitaktverfahren mit einem dreiecksförmigen oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen. Damit entspricht jede Dreieckseite, die der Kurbelzapfen durchfährt einem Arbeitstakt. Es ergeben sich die drei Takte, Verdichten, Arbeiten und Spülen mit nur einer Auf- und Abbewegung eines Kolbens. Man kann damit also Arbeitsmaschinen mit nur zwei Kolben bauen, die dieselbe Arbeitsleistung erreichen, wie heutige Vierzylindermaschinen. Zusätzlich ergibt sich durch den dritten Takt mit der Spülung ein vergleichbarer sauberer Gaswechsel. Im Vergleich zum Zweitaktverfahren steht nun für die Spülung wesentlich mehr Zeit zur Verfügung, da der Arbeitstakt und/oder der Verdichtungstakt nicht für die Spülung verkürzt werden müssen.Achieving such a three-stroke process can be achieved with a triangular or three-bladed motion sequence on the crank pin. Thus, each triangle side, which passes through the crank pin corresponds to a power stroke. It results in the three bars, compacting, working and rinsing with only one up and down movement of a piston. So you can build so work machines with only two pistons that achieve the same performance as today's four-cylinder engines. In addition, results from the third cycle with the flushing a comparable clean gas exchange. Compared to the two-stroke process, much more time is now available for flushing, since the working stroke and / or the compression stroke need not be shortened for flushing.

Aufzählung der Zeichnungen: [0005] Die Erfindung wird erstens mit Beispielen von möglichen dreiecksförmigen oder dreiblattförmigen Bewegungsabläufen am Kurbelzapfenzentrum erläutert. Zweitens werden mögliche Ausführungen von Dreitaktkolbenmaschinen mit dreiecksförmigem Bewegungsablauf am Kurbelzapfen in der Grundstellung und der Parallelstellung zeichnerisch dargestellt.The invention is firstly explained with examples of possible triangular or three-bladed motions at the crankpin center. Second, possible designs of three-stroke piston engines with a triangular motion sequence on the crank pin in the basic position and the parallel position are shown graphically.

[0006] Fig. 1 und Fig. 2 stellen Beispiele verschiedener möglicher Bewegungsabläufe einer Dreitaktmaschine am Kurbelzapfenzentrum dar, Fig. 1 zeigt fünf dreiecksförmige Bewegungsabläufe (1) und Fig. 2 zwei dreiblattförmige (2) und einen dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1).1 shows five triangular motion sequences (1) and FIG. 2 shows two triad-shaped (2) and one triangular-shaped movement sequence (1). [0006] FIG.

[0007] Die Fig. 3 zeigt links eine solche Kolbenmaschine mit dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1) in ihrer Grundstellung, dabei verläuft der vom Kurbelzapfen (3) durchfahrene Bewegungsablauf im Spültakt in etwa orthogonal zum Kolbenhub. Rechts wird eine parallele Maschinenanordnung gezeigt mit demselben dreiecksförmigen Bewegungsablauf (1) am Kurbelzapfen (3), hier verläuft der Arbeitstakt in etwa parallel zum Kolbenhub. Zusätzlich wird die Differenz A h bezüglich der verschiedenen oberen Totpunkte, die in diesen beiden Stellungen erreicht werden können dargestellt, die aus einem Verdrehen des Rollkreisholrades (4) im Maschinengehäuse resultieren. Im Weiteren sieht man die beiden Ritzel (5), die im Rollkreishohlrad (4) als Einheit aus Kurbelwangen (6) und Kurbelzapfen (3) abdrehen. Der kurbelzapfen (3) führt dabei das Pleuel (7) und den Kolben (8).Fig. 3 shows left such a piston engine with triangular motion sequence (1) in its normal position, while the crank pin (3) traversed movement in the scavenging stroke is approximately orthogonal to the piston stroke. On the right, a parallel machine arrangement is shown with the same triangular movement sequence (1) on the crank pin (3), here the working stroke runs approximately parallel to the piston stroke. In addition, the difference A h is shown with respect to the various top dead centers that can be achieved in these two positions, which result from a rotation of the roller circle wheel (4) in the machine housing. In the following you can see the two pinions (5) in the Rollkreishohlrad (4) as a unit of crank arms (6) and crank pin (3) turn off. The crank pin (3) leads doing the connecting rod (7) and the piston (8).

[0008] Fig. 4 zeigt eine Kurbeleinheit aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und einem Kurbelzapfen (3).Fig. 4 shows a crank assembly of pinion (5), crank arms (6) and a crank pin (3).

[0009] Fig. 5 zeigt eine Kurbeleinheit aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und zwei Kurbelzapfen (3), die mittels Kurbel (9) im Rollkreishohlrad (4) geführt wird. Mit einer solchen Anordnung mit den zwei um 180° versetzten Kurbelzapfen (3) kann eine Zweizylinderdreitaktmaschine mit nur einer Steuereinheit aus Rollkreishohlrad (4), Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und Kurbelzapfen (3) gebaut werden.Fig. 5 shows a crank assembly of pinion (5), crank webs (6) and two crank pin (3), which is guided by means of crank (9) in the rolling circle hollow wheel (4). With such an arrangement with the two offset by 180 ° crank pin (3), a two-cylinder three-stroke engine with only one control unit of Rollkreishohlrad (4), pinion (5), crank arms (6) and crank pin (3) are built.

[0010] Fig. 6 zeigt eine Kolbenanordnung mit dreiecksförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen (3) in der Grundstellung mit den in jeweils 60° Schritten abgedrehten Einheiten aus Ritzel (5), Kurbelwangen (6) und dem Kurbelzapfen (3), (sodass man den Bewegungsablauf der Maschine beim Durchfahren der drei Takte erkennen kann. Dabei stellen die seitlichen drei Kurbelzapfenstellungen entweder den Verdichtungstakt oder den Arbeitstakt dar, die unteren drei Stellungen des Kurbelzapfens stehen für den Spültakt.Fig. 6 shows a piston assembly with triangular motion on the crank pin (3) in the basic position with the wrenched in each 60 ° steps units of pinion (5), crank arms (6) and the crank pin (3), (so that the The three crankpin positions at the side represent either the compression stroke or the working stroke, the lower three positions of the crankpin represent the flushing cycle.

Ausführung der Erfindung: [0011] Um einen dreiecksförmigen Ablauf des Kurbelzapfens zu erreichen, bestehen mehrere Möglichkeiten mit Rollkreiskonstruktionen. Dabei hängt der gewünschte Bewegungsablauf am Kurbelzapfen in erster vom Durchmesserverhältnis der verwendeten Räder zueinander ab und von der Distanz des Kurbelzapfens zum Zentrum des abdrehenden Ritzels, mit dem der Kurbelzapfen direkt oder über Kurbelwangen fest verbunden sein muss. Fährt nun das abdrehende Ritzel mit dem verbunden Kurbelzapfen seine Bahn im oder auf dem Rollkreis ab, entsteht ein dreiecksförmiger oder dreiblattförmiger Bewegungsablauf am Kurbelzapfen. Für solche Bewegungsabläufe kann das Durchmesserverhältnis Rollrad zu aussen abrollendem Ritzel von 3:1 verwendet werden.EMBODIMENT OF THE INVENTION: In order to achieve a triangular discharge of the crank pin, there are several possibilities with roller circle constructions. In this case, the desired motion sequence on the crank pin in the first depends on the diameter ratio of the wheels used to each other and the distance of the crank pin to the center of the rotating pinion, with the crank pin must be connected directly or via crank webs. Now moves the rotating pinion with the connected crank pin its course in or on the rolling circle, creates a triangular or triad-shaped movement on the crank pin. For such movements, the diameter ratio of rolling wheel to externally rolling pinion of 3: 1 can be used.

[0012] Weiter kann ein Rollkreishohlrad mit zwei unterschiedlichen Verhältnissen von Rollkreishohlrad zu innen abrollendem Ritzel Verwendung finden; nämlich die Verhältnisse 3:1 und 3:2.Further, a Rollkreishohlrad with two different ratios of Rollkreishohlrad find to inside rolling pinion use; namely the ratios 3: 1 and 3: 2.

[0013] Grundsätzlich ist das Rollrad oder Rollkreishohlrad dabei mit dem Gehäuse fest verbunden und das abrollende Ritzel wird über eine Kurbel oder eine Lagerscheibe auf dem Rollrad oder im Rollkreishohlrad geführt und abgedreht.In principle, the rolling wheel or rolling ring gear wheel is firmly connected to the housing and the rolling pinion is guided and turned off via a crank or a bearing disk on the rolling wheel or in the rolling ring hollow wheel.

[0014] Stimmen die Durchmesserverhältnisse der verwendeten Räder geometrisch zueinander, kann oder können mit dem abdrehenden Ritzel in einem geeigneten Abstand vom Ritzelzentrum ein oder mehrere Kurbelzapfen verbunden werden. Je nach Anordnung sind dazu auch Kurbelwangen zwischen Ritzel und Kurbelzapfen und/oder zwischen den Kurbelzapfen nötig. Verwendet man ein Rollkreishohlrad mit einem abrollenden Ritzel im Durchmesserverhältnis von 3:2 so können mit einem abdrehenden Ritzel mehrere Kurbelzapfen verbunden und so eine Reihenmaschinenanordnung mit mehreren Zylindern gebaut werden, da sich die Kurbel oder die Lagerscheibe zweimal dreht, während das Ritzel mit den Kurbelzapfen einmal im Hohlrad abdreht. Man kann also die Anzahl Steuereinheiten aus Rollkreishohlrad und abrollendem Ritzel reduzieren und eine Mehrzylindermaschine in Reihe bauen. Für eine Doppelzylinderanordnung werden die beiden um 180° versetzten Kurbelzapfen über Kurbelwangen mit zwei abrollenden Ritzeln verbunden, die wiederum in zwei Rollkreishohlrädern abdrehen. Bei einer Dreizylinderanordnung werden die drei Kurbelzapfen um 120° versetzt, bei einer Vierzylinderanordnung um 90° und so weiter.If the diameter ratios of the wheels used geometrically to each other, one or more crankpins can or can be connected to the rotating pinion at a suitable distance from the pinion center. Depending on the arrangement, crank webs between the pinion and the crank pin and / or between the crank pins are also necessary. Using a rolling wheel with a rolling pinion in the diameter ratio of 3: 2 so can be connected with a rotating pinion a plurality of crankpins and so a series engine assembly with multiple cylinders are built, since the crank or the bearing disc rotates twice, while the pinion with the crank pin once turns off in the ring gear. So you can reduce the number of control units from Rollkreishohlrad and rolling pinion and build a multi-cylinder engine in series. For a double-cylinder arrangement, the two crankshaft journals offset by 180 ° are connected via crank webs with two rolling pinions, which in turn turn off in two rolling circle hollow wheels. In a three-cylinder arrangement, the three crankpins are offset by 120 °, in a four-cylinder arrangement by 90 ° and so on.

[0015] Im Weiteren besteht auch die Möglichkeit die Verbindung der einzelnen Kurbelzapfen über eine aussenliegende Welle zu gewährleisten. So kann zum Beispiel eine Doppelzylindereinheit mit einer in der Mitte zwischen den Kurbelzapfen liegenden Steuereinheit aus abdrehendem Ritzel und Rollrad liegen und an den beiden Aussenseiten kann man dann die Steuereinheiten mit gewöhnlichen Kurbeln oder Lagerscheiben auf ihrer Bahn führen ohne Ritzel und Hohlrad. Allerdings benötigt man in einem solchen Fall eine aussenliegende Welle, die die Rotationsbewegung auf die Steuereinheiten ohne Ritzel- und Rollradführung überträgt. Eine solch verbindende Aussenwelle könnte bei geschickter Auslegung direkt als Nockenwelle genutzt werden.Furthermore, it is also possible to ensure the connection of the individual crank pin on an external shaft. Thus, for example, a double-cylinder unit with a lying in the middle between the crank pin control unit of rotating pinion and rolling wheel and on the two outsides you can then run the control units with ordinary cranks or bearing discs on their track without pinion and ring gear. In such a case, however, an external shaft is required, which transmits the rotational movement to the control units without pinion and roller guide. Such a connecting external shaft could be used directly as a camshaft with clever design.

[0016] Verwendet man anstelle der oder des fest mit dem Gehäuse verbunden Rollkreisrades ein oder mehrere im Gehäuse vor- und rückwärts drehbar gelagerte Rollkreisräder kann mit dem Verdrehen des oder der Rollräder eine variable Verdichtung erreicht werden. Dreht man also das oder die Rollkreisräder in dem Gehäuse um seine Achse, wird sich die Lage des dreieckförmigen Bewegungsablaufes am oder den Kurbelzapfen exakt um den Winkel verschieben, um den das oder die Rollkreisräder gegenüber dem Gehäuse verdreht wurden. Dieses Verdrehen kann beispielsweise mit einem oder mehreren Schneckengetrieben erreicht werden, welches das Gehäuse und das oder die darin drehbar gelagerten Rollkreisräder verbindet. Die dreiecks- oder dreiblattförmige Bewegung, die deroder die Kurbelzapfen nun abfahren, verschiebt sich gegenüber dem Gehäuse und die Verdichtung in den Arbeitsräumen sinkt oder nimmt zu. Dieses Verdrehen kann auch in der Maschinenentwicklung genutzt werden, die optimale Stellung von Kolbenachse und dreiecks- oder dreiblattförmigen Bewegungsablauf am Kurbelzapfen festzulegen oder die Verdichtung derselben Maschine an den verwendeten Kraftstoff anzupassen. Man kann also den Spültakt in etwa orthogonal zum Kolbenhub setzen, dann befindet man sich in der Grundstellung, oder man versucht den Kolbenhub in etwa parallel zum Arbeitstakt zu setzen, dann spricht man von der Parallelstellung. Man kann mit dieser Verdrehung auch die optimale Kraftübertragung vom Kolben auf die Kurbelwelle, die Lagerscheiben oder die aussenliegende Welle erforschen.Is used instead of or firmly connected to the housing Rollkreisrades one or more in the housing forward and backward rotatably mounted Rollkreisräder can be achieved with the rotation of the rolling wheels or a variable compression. So if you rotate the or the rolling circle wheels in the housing about its axis, the position of the triangular motion sequence on or the crank pin will move exactly by the angle by which the or the rolling circle wheels were rotated relative to the housing. This rotation can be achieved, for example, with one or more worm gears, which connects the housing and the or rotatably mounted therein rolling circle wheels. The triangular or trifurcated movement that is now descending the or the crankpins shifts with respect to the housing and the compaction in the workspaces decreases or increases. This twisting can also be used in machine development to determine the optimal position of piston axis and triangular or triad-shaped movement on the crank pin or to adapt the compression of the same machine to the fuel used. So you can set the scavenging stroke in approximately orthogonal to the piston stroke, then you are in the normal position, or you try to set the piston stroke approximately parallel to the power stroke, then one speaks of the parallel position. You can explore with this rotation and the optimal power transmission from the piston to the crankshaft, the bearing washers or the outer shaft.

Claims

claims

1. Dreitaktkolbenmaschine with the clocks compacting, working and rinsing, which can be achieved with only one up and down movement of a piston, consisting of: • at least one axially in a cylinder (6) guided piston (5), • a force and torque a frictional connection (8, 1) in the form of a connecting rod (8) between piston (5) and crank pin (4), • a pinion (2) with means which in a Rollkreishohlrad (3) or on a Rolling the rolling circle and at the same time couple a translational component of movement of the pinion (2) with a rotating movement of the shaft, wherein the ratio of the pitch circles of the roller (3) and the pinion (2) must be 3: 1 or 3: 2, characterized that the crank pin (4) on the pinion (2) is mounted eccentrically directly or via at least one crank arm, so that the crank pin (4) when cornering the pinion (2) in the rolling circle hollow wheel (3) or on the rolling circle a three ecksf -shaped or three blade-shaped web (12) and each of these describes traveled by the crank pin or three-ecks- dreiblatfförmigen pages can be assigned to one of the work cycles.

2. Piston engine according to claim 1, characterized in that the means which guide the pinion (2) when rolling in Rollkreishohlrad (3) or on the rolling wheel, a crank or a bearing disc (9).

3. Piston engine according to claim 1 or 2, characterized in that the Rollkreishohlrad (3) or the rolling wheel cooperates via a partial external toothing with a worm gear which rotatably fixed the Rollkreishohlrad (3) or rolling wheel against the housing and on which the Rollkreishohlrad (3 ) or rolling wheel can be rotated back and forth, so that the position of the crank pin (4) described triangular or trilobal web (12) relative to the housing also twisted.

4. Piston engine according to claim 1 and 2, characterized in that with a control unit of Rollkreishohlrad and pinion at least two crank pins can be controlled, which are connected via crank webs.