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Brennkraftmaschinensatz Die Erfindung betrifft einen Brennkraftmaschinensatz,
der in bekannter Weise aus zwei um 180° in ihrer Arbeitsphase versetzten Brennkraftmaschinen
und einem dazwischen angeordneten Verdichter gleicher Bauart besteht, der zur Aufladung
der beiden Brennkraftmaschinen dient und abwechselnd der einen und der anderen Brennkraftmaschine
verdichtete Ladung zuführt.
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Esistbei Hubkolben-Brennkraftmaschinen bekannt, die Leistung durch
Aufladung zu erhöhen, indem vorverdichtetes stöchiorrietrisches Gemisch in den Arbeitsraum
eingeschoben wird. Es ist auch bekannt, reine Luft anzusaugen und überfettetes Gemisch
einzublasen, wodurch sich die Möglichkeit der Verwendung auch schwersiedender Kraftstoffe
ergibt. Schließlich ist es bekannt, dem Hubkolbenmotor nach Beendigung seines Ansaugvorganges
vorverdichtete Luft zuzuführen, der während des Überströmens Kraftstoff zugegeben
wird, wodurch eine feine Gemischaufbereitung erzielt wird. Es ist auch bekannt,
zwischen zwei Zweitakt-Rotationskolben-Brennkraftmaschinen einen Rotationskolbenverdichter
gleicher Bauart anzuordnen, der eine Ladung ansaugt und verdichtet und die verdichtete
Ladung abwechselnd der einen und der anderen Brennkraftmaschine zuführt, in denen
die Zündung und Expansion und der Ausschub der verbrannten Gase erfolgen. Ferner
ist es bekannt, zwischen zwei in ihrer Arbeitsphase um 180° versetzten Viertakt-Hubkolben-Brennkraftmaschinen
einen Hubkolbenverdichter anzuordnen, der seine Füllung abwechselnd der einen und
der anderen Brennkraftmaschine zuführt, wobei eine gewisse Überladung dadurch zustande
kommt, daß das Hubvolumen des Verdichters größer bemessen ist als dasjenige der
Brennkraftmaschinen.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen Brennkraftmaschinensatz
zu schaffen, mit dem eine hohe Leistung bei geringem Bauvolumen erreichbar ist und
bei dem die Steuerung des Ladungswechsels auf einfachste Weise durchgeführt werden
kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Brennkraftmaschinen als
an sich bekannte Viertakt-Rotationskolbenmaschinen mit je einem Einlaß-und einem
Auslaßkanal und der Verdichter als Rotationskolbenmaschine gleicher Bauart mit zwei
Einlaß- und zwei Auslaßkanälen ausgebildet sind, wobei die Auslaßkanäle des Verdichters
in den gemeinsamen Zwischenwänden zwischen dem Verdichter einerseits und den Brennkraftmaschinen
andererseits angeordnet sind und ihre Mündungsöffnungen einerseits von dem Kolben
des Verdichters und andererseits von dem Kolben der entsprechenden Brennkraftmaschine
übersteuert werden und derart angeordnet sind, daß sie erst dann freigegeben werden,
wenn der Einlaßkanal der betreffenden Brennkraftmaschine zumindest weitgehend geschlossen
ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennkraftmaschinensatz wird also in jede
Brennkraftmaschine nach Beendigung des Ansaugtaktes zusätzlich zu ihrer normal angesaugten
Ladung eine zweite, im Verdichter vorverdichtete Ladung eingeblasen, wodurch sich
ein hoher Überladungseffekt und eine entsprechend hohe Leistung ergeben. Die Anordnung
der Auslaßkanäle des Verdichters in den gemeinsamen Zwischenwänden ermöglicht eine
einfache Steuerungdes Ladungswechsels undkurzeLieferungen mit geringen Strömungswiderständen.
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Die Mündungsöffnungen der Auslaßkanäle des Verdichters sind vorzugsweise
so angeordnet, daß sie dann freigegeben werden, wenn überkritisches Druckgefälle
zwischen der Kompressionskammer des Verdichters und der den Verdichtungstakt beginnenden
Kammer der betreffenden Brennkraftmaschine besteht. Dadurch ergibt sich eine gute
Durchwirbelung der Ladung, was insbesondere bei Einblasen von überfettetem Gemisch
oder Zugabe von Kraftstoff während des Überströmens von Vorteil ist.
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Um die Auslaßkanäle des Verdichters möglichst kurz zu halten, ist
nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Gehäuseinnenkontur des Verdichters
gegenüber den zueinander in gleicher Phase liegenden Gehäuseinnenkonturen der Brennkraftmaschinen
verdreht.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Brennkraftmaschinensatz,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 durch eine der Brennkraftmaschinen,
Fig. 3 einen Querschnitt gemäß Linie III-III in Fig. 1 durch den Verdichter und
Fig.4 bis 8 Stellungsbilder für aufeinanderfolgende Phasen der beiden Brennkraftmaschinen
und des Verdichters.
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In Fig.1 ist ein Längsschnitt durch einen Maschinensatz gezeigt, der
sich aus den beiden Kreiskolben-Brennkraftmaschinen A und B und dem
dazwischen angeordnetenKreiskolbenverdichterCzusammensetzt. Die beiden Brennkraftmaschinen
A und B sind gleich ausgebildet und bestehen jeweils aus einem Gehäuse,
das sich aus einem Mantel 1 bzw. 1' mit zweibogiger Innenkontur 2
(Fig.2) und Seitenteilen 3 bzw. 3' mit 4 bzw.-.4' zusammensetzt. Die innere Mantelfläche
2 hat beispielsweise die Form einer zweibogigen Epitrochoide. Mit 5 ist die gemeinsame
Welle bezeichnet, die zentrisch zu der inneren Mantelfläche 2 der Gehäuse angeordnet
und über Wälzlager 6 in den Seitenteilen 3, 3' und 4, 4' gelagert ist. Auf der Welle
5 sind Exzenter 7, 7' aufgekeilt, auf denen die Kolben 8, 8' drehbar angeordnet
sind. Getriebe 9 bzw. 9' zwischen den Kolben 8 bzw. 8' und den Seitenteilen 3 bzw.
3' sorgen für ein bestimmtes Drehzahlverhältnis zwischen den Kolben 8, 8' und der
Welle 5. Die Außenkontur des Kolbens 8 bzw. 8' entspricht der inneren Hüllkurve
der zweibogigen inneren Mantelfläche des Gehäuses und hat etwa die Form eines Bogendreiecks,
wobei zwischen benachbarten Ecken Kolbenmulden 26 vorgesehen sind.
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Zwischen den einander benachbarten Seitenteilen 4 und 4' der Brennkraftmaschinen
A und B ist der Verdichter C angeordnet, der von gleicher Bauart ist
wie die beiden Brennkraftmaschinen und dessen Gehäuse ebenfalls aus einem Mantel
10 mit zweibogiger Innenkontur 11 (Fig. 3) und den Seitenteilen 12 und 13
besteht. Die Seitenteile 4 und 12 und 4' und 13 bilden somit gemeinsame
Zwischenwände und sind nur wegen des Einbaus der mittleren Wälzlager 6 jeweils aus
zwei Teilen hergestellt. Der zweiteilige Kolben 14 des Verdichters hat wiederum
die Form eines Bogendreiecks und ist über ein Wälzlager 15 drehbar auf einem Exzenteransatz
16 der Welle 5 gelagert. Seine Relativbewegung gegenüber dieser Welle wird durch
ein Getriebe 17 erzwungen.
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Die beiden Brennkraftmaschinen A und B sind hinsichtlich
der Lage ihrer Exzenter 7 bzw. 7', ihrer Kolben 8 bzw. 8' und der inneren Mantelflächen
2 ihrer Gehäuse in Phase. Dagegen sind sie in bezug auf ihre Arbeitsphase um 180°
versetzt, d. h., der Einlaßkanal 18 und der Auslaßkanal 19 sind bei der Maschine
A in Fig. 1 unten, bei der Maschine B
jedoch oben. Umgekehrt ist die
Zündkerze 20 bei der Maschine A oben und bei der Maschine B unten.
Der Exzenter 16 des Verdichters C ist gegenüber den Exzentern 7 und 7' der Brennkraftmaschinen
um 180° versetzt. Dadurch kann ein vollkommener Massenausgleich erzielt werden.
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Die beiden Brennkraftmaschinen A und B durchlaufen je
ein vollständiges Viertaktverfahren, und es ergeben sich pro, Umdrehung der Welle
5 zwei Ansaugtakte. Aufgäbe des Verdichters ist es, die beiden Brennkraftmaschinen
mit vorverdichteter Ladung in Form von 'Luft oder überfettetem oder stöchiometrischem
Gemisch zu versorgen. In den beiden ersten Fällen wird durch die Ansaugkanäle
18
reine Luft von den Brennkraftmaschinen angesaugt, während im letzteren
Fall ebenfalls stöchiometrisches Gemisch angesaugt wird. Der Verdichter C ist zur
Erfüllung seiner Aufgabe mit zwei Einlaßkanälen versehen, von denen der eine im
Seitenteil 12 und der andere im Seitenteil 13 seines Gehäuses angeordnet ist und
die in Einlaßfenster 21 und 21' münden. Das Überschieben der vorverdichteten Ladung
erfolgt durch die Auslaß- oder Überströmkanäle 22, 22', die in den Zwischenwänden
4, 12 bzw. 4', 13 angeordnet sind und die von Steuerfenstern 23 bzw. 23'
im Seitenteil 12 bzw. 13 ausgehen und in Steuerfenster 24 bzw. 24' im Seitenteil
4 bzw. 4' der Brennkraftmaschine A bzw. B
münden. Die
Steuerfenster 24, 24' werden durch die Kolben 8 bzw. 8' der Brennkraftmaschinen
übersteuert, während die Steuerfenster 23 und 23' vom Kolben 14 des Verdichters
übersteuert werden. Zur Erzielung der erforderlichen Steuerzeiten ist der Kolben
14 des Verdichters an seinem Umfang mit Aussparungen 25 versehen, die sich jedoch
nicht über die ganze Kolbenbreite erstrecken, sondern an jeder Stirnfläche des Kolbens
angeordnet sind, um die schädlichen Räume des Verdichters möglichst klein zu halten.
Die Überströmkanäle 22, 22' haben verhältnismäßig kleinen Querschnitt, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten
zu erzielen.
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Die Kolben 8 und 8' der beiden Brennkraftmaschinen A und
B sind in bekannter Weise mit einem Dichtsystem ausgestattet, welches sich
aus an den Ecken des Kolbens angeordneten achsparallelen Radialdichtungen und an
den Stirnflächen des Kolbens vorgesehenen Axialdichtungen zusammensetzt, die fugengeschlossen
miteinander verbunden sind. Der Kolben 14 des Verdichters ist nur mit Radialdichtungen
versehen, während seine Stirnflächen direkt an den Seitenteilen des Gehäuses anliegen,
was ohne weiteres möglich ist, da keine thermischen Verzüge zu befürchten sind.
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Um die Überströmkanäle 22 und 22' möglichst kurz zu halten, sind das
Gehäuse und der Kolben des Verdichters gegenüber denjenigen der Brennkraftmaschinen
verdreht, und zwar im Ausführungsbeispiel um 45°, wie dies deutlich aus einem Vergleich
der Fig. 2 und 3 hervorgeht.
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Bei dem dargestellten Motoraggregat ist angenommen, daß die Brennkraftmaschinen
durch ihre Einlaßkanäle 18 reine Luft ansaugen, während in dem Verdichter C überfettetes
Gemisch verdichtet und in die ihren Verdichtungstakt beginnenden Arbeitskammern
der Brennkraftmaschinen eingeblasen wird, wodurch schwersiedende Kraftstoffe verwendet
werden können. Ebenso ist es möglich, daß sowohl von den Brennkraftmaschinen als
auch vom Verdichter ein stöchiometrisches Gemisch angesaugt wird. Schließlich können
sowohl die Brennkraftmaschinen als auch der Verdichter lediglich reine Luft ansaugen,
und es wird in den Überströmkanälen vom Verdichter zu den Brennkraftmaschinen eine
Einrichtung zur Kraftstoffbeimischung vorgesehen, beispielsweise in Form eines einfachen
Druckvergasers oder einer Einspritzdüse. Durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit
im Überströmkanal ergibt sich eine feine Aufbereitung des Gemisches, Die Funktion
des Brennkraftmaschinensatzes wird nun im folgenden an Hand der Fig. 4 bis 8 beschrieben,
wobei
die obere Maschine die Brennkraftmaschine A, die mittlere den Verdichter C und die
untere die Brennkraftmaschine B darstellt und die aufeinanderfolgenden Fig.4, 6,
7 und 8 einen Phasenunterschied von jeweils 90° Drehwinkel der Welle 5 zeigen, während
in Fig.5 eine Zwischenstellung zwischen Fig. 4 und 6 dargestellt ist.
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Abweichend von dem Konstruktionsbeispiel gemäß Fig. 1 bis 3 münden
hierbei die Einlaßkanäle der Brennkraftmaschinen nicht in Fenster im Mantel des
Gehäuses, sondern in Einlaßfenster E bzw. E' in einem Seitenteil des Gehäuses, während
der Auslaßkanal F bzw. F' vom Mantel ausgeht.
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In Fig. 4 hat die Brennkraftmaschine A für die Kammer VA ihren
Ansaugtakt weitgehend beendet; das Einlaßfenster E ist durch den Kolben 8 bereits
zum Teil geschlossen, jedoch hat der Kolben 8 das Steuerfenster 24 des Überströmkanals
22 bereits zum Teil freigegeben. Der Kolben 14 des Verdichters C ist im Begriff,
das Steuerfenster 23 des Überströmkanals 22 ebenfalls freizugeben, um das in Kammer
Vc vorverdichtete Gemisch in Kammer VA überzuschieben, so daß diese Stellung
für die Brennkraftmaschine A den Einblaseanfang darstellt. Bei der Brennkraftmaschine
B ist das Einlaßfenster E zum Teil geöffnet, und die Kammer VB befindet
sich im Ansaugtakt. Die Steuerfenster 24' und 23' des Überströmkanals 22' sind vom
Kolben 8' bzw. 14 überdeckt und somit geschlossen.
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Nach 45° Drehung der Welle 5 kommen die Maschinen in die Stellung
gemäß Fig. 5, wobei für Brennkraftmaschine B die Zündung der in der Kammer
VB min. befindlichen gesamten verdichteten Ladung erfolgt, während in die
Kammer Va der Brennkraftmaschine A nach wie vor vorverdichtete Ladung aus Kammer
VC eingeblasen wird.
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Fig. 6 zeigt für die Brennkraftmaschine A das Ende des Einblasevorganges
bei fortschreitender Verdichtung. Das Steuerfenster 24 ist zwar noch offen, das
Steuerfenster23jedoch durch den Kolben14 des Verdichters C bereits geschlossen.
Bei Brennkraftmaschine B findet immer noch der Ansaugvorgang für Kammer
VB statt, und die Steuerfenster 24' und 23' sind nach wie vor geschlossen.
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Nach 180° Drehung der Welle 5 ist gemäß Fig. 7 die Verdichtung der
Kammer VA der Brennkraftmaschine A weiter fortgeschritten, während sich Brennkraftmaschine
B in der gleichen Stellung wie Brennkraftmaschine A in Fig. 4 befindet und die Steuerfenster
23' und 24' im Begriff sind, freigegeben zu werden, was dem Beginn des Einblasevorganges
aus Kammer Vc' in Kammer ,VB entspricht.
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In Fig. 8 schließlich befindet sich die Brennkraftmaschine A in bezug
auf die Kammer VA 45° nach dem oberen Totpunkt und nach der Zündung. Im gleichen
Moment ist der Einblasevorgang für die Kammer VB der Brennkraftmaschine
B beendet, denn das Steuerfenster 23' ist vom Kolben 14 des Verdichters
C abgesteuert.
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Im übrigen durchläuft jede der drei Kammern jeder Brennkraftmaschine
A und B im Laufe von drei Umdrehungen der Welle 5 einen vollständigen
Viertaktprozeß, wobei die Arbeitsphasen der beiden Maschinen um l80° versetzt sind.
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Im Ausführungsbeispiel sind die Rotationskolbenmaschinen als Kreiskolbenmaschinen
gezeigt, das sind Maschinen, bei welchen das umschließende Gehäuse feststeht und
der Kolben auf einem Exzenter einer zentrisch im Gehäuse gelagerten Welle umläuft.
Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf diese Art von Maschinen, sondern
umfaßt auch sogenannte Drehkolbenmaschinen, bei denen auch das umschließende Gehäuse
umläuft und der Kolben fest auf einer exzentrisch zum Gehäuse umlaufenden Welle
befestigt ist, denn die Relativbewegung des Kolbens zu dem umschließenden Gehäuse
ist in beiden Fällen dieselbe.