DE1451781A1

DE1451781A1 - Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit Kaemmeingriff

Info

Publication number: DE1451781A1
Application number: DE19651451781
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl-Ing Keylwert
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1965-09-24
Filing date: 1965-09-24
Publication date: 1971-12-30
Also published as: SE325168B; DE1451781C3; US3413961A; JPS4830082B1; AT282257B; GB1144006A

Description

·Köln Köln, den 5. September 1968 IP R/Dg, Pe-D 65/71

Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit Kämmeingriff

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit Kämmeingriff und außen liegenden Dichtteilen, insbesondere Kreiskolbenbrennkraftmaschine, bei welcher das Kolbenprofil durch eine Trochoide, vorzugsweise Epitrochoide, bestimmt ist und dementsprechend das Gehäuseprofil nach der äußeren Hüllkurve der Trochoide verläuft, wobei der Kolbenumfang eine durch zwei teilbare Anzahl von achsnahen Zonen aufweist und im Kolben für den Gaswechsel Kanäle angeordnet sind, die eine stirnseitig angeordnete Ein- bzw. Auslaßöffnung mit einer auf jedem zweiten Umfangebogen zwischen zwei aufeinanderfolgenden achsnahen Zonen des Kolbens vorgesehenen Einlaßöffnungen bzw. AuslaßÖffnungen verbinden.

Rotationskolbenbrennkraftmaschinen der vorstehend näher beschriebenen Art sind bekannt. Die Fachwelt hat ihnen, insbesondere in jüngster Zeit, weniger Aufmerksamkeit geschenkt, weil es günstiger schien, Rotationskolbenbrennkraftmasohinen, insbesondere Kreiskolbenbrennkraftmaschinen zu entwickeln, bei denen das Gehäuseprofil durch eine Epitrochoide bestimmt ist und dementsprechend das Kolbenprofil nach der inneren Hüllkurve der Epitrochoide verläuft (Kennzeichnung nach P. Wankel "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" "Si").

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Es schien bisher nur mit der Bauart der Kennzeichnung "Si" und nicht mit der Bauart "Za" mit Kämmeingriff und außenliegenden Dichtteilen (Kennzeichnung nach P. Wankel "Einteilung der Rotationskolbenmaschinen" ⁿKaⁿ) möglich,einen Viertakt-Arbeitsprozeß mit einer einfachen Selbststeuerung zu verwirklichen. Dieser Mangel läßt sich mit bekannten
konstruktiven Mitteln nicht beseitigen, solange keine
grundsätzliche Lösung für diese Aufgabenstellung gefunden wird. Weiter hat die Bauart "Si" den Vorteil, daß das zur kinematischen Lenkung des Kolbens gegenüber der Innenkontur des Gehäusemantels benötigte Ge-

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triebe keine Belastung durch die Saskräfte erfahrt, wenn die Gaadrüoke an jedem Punkt des lan^ceatreckten und teilweise eingeechnürten Brennrnumes gleich sind. 3ei Verbrennun^sverfahren, bei denen die Erfüllung dieser Bedingungen erwartet werden kann, z. B. bti Otto-Motoren mit dafür üblichen niedrigen effektiven Verdichtungsverhältnissen, lassen eich solche Getriebe auf einfache V/eise im Kolben unterbringen, ».ie sich in der Praxis zeigte, treten aber auch bei solchen Motoren nicht vernachlilasi^bore Belastungen des Getriebes " auf, die besonders dann bei der Beneeuunß berücksichtigt werden <( müssen, wenn mit extremen Üetriebabedingungen gerechnet werden muß und lange Lebensdauern verlangt werden. Das gleiche gilt dann, wenn der Brennraum aus verbrennungatechnischen Gründen eine für die Getriebebelastung ungünstige Form bekommen muß, um damit einen Höchstwert für den 'wirkungsgrad der Verbrennung sicherzustellen, wegen des dann vergrößerten Bauaufwandes für das Getriebe und der Schwierigkeit einer einfaohen Ausführung mußte man von einer solchen Brennraungeataltung auch für den Ottomotor Abstand nehmen und hat für die Brennraumform und die Kerzenanordnung einen Kompromiß gewählt, bei dee das einfache Getriebe noch ausreicht und die Kraftstoffausnutzung nur um elntn tragbaren v/ert (etwa 10 ^l,i>) schlechter wird ale für einen vergleichbaren Hubkolbenmotor. Bei Motoren mit innerer Gemischbildung ist dieser Kompromiß wegen des notwendigen effektiven Verdichtungsverhältnisses, das but Erhaltung der Selbstzündung einen bestimmten Ti'trt nicht unterschreiten darf, nicht tragbar. *Ian muß dort vielmehr Getriebelösungen anwenden, die für hohe Belastungen auegelegt sind· Je nach Art des Verbrennungaverfahrens führen die

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daraus entstehenden hohen Belastungen zu sehr aufwendigen Getriebekon3truktlonen. Die grundsätzlichen Ilaohteile und Folgen, die sich zwangsläufig bei der Bauart "Si" aus der begrenzten !.löslichkeit einer unbehinderten Gestaltung von Forin und Größe des Brennrauiaes und daraus ergeben, daß mit fortschreitender Kolfcenbewegung durch die sich aufapGltende üichelform des 3rennrauaes Uraledüngen des ürennrauminhaltes über wandnahe Zonen entstehen, zeigen sich verstärkt an Motoren mit innerer Gemischbildung. Ohne Verzicht auf den Vorteil, den ffesamtarbeitsprozeß in einer Stufe beizubehalten, erschienen bei den bisher geleisteten umfangreichen und kostspieligen Entwicklungsarbeiten mit Rotationskolben-Dieselsnotoren diese Zusammenhänge als unUberwindbares Hindernis.

Die Verschlechterung des Verbrennungewirkungegradea zeigte sich mit höheren Verdichtungsverhältnissen so deutlich in einem überhöhten Kraftstoffverbrauch, daß es notwendig erscheint, nach Bauarten von Rotationskolbenmotoren Ausschau zu halten, die von der .Bauart her geeigneter erscheinen, einen mit Hubkolbenmotoren veröleicibaren guten Wirkungsgrad der Verbrennung sicherzustellen, auch wenn mit einer solchen Bauart gewisse andere Nachteile, die übersehbar sind, verbunden sein sollten. Aus diesen Verlegungen, die auf den bisherigen Erkenntnissen basieren, die nit Rotationskolbenmotoren gewonnen wurden, erscheint die eingangs geschilderte Bauart "Ka" bessere Aueeichten zu bieten, den grundsätzlichen Vorteilen im Zusammenhang nit den bewegten fassen einer Rotationskolbenmaschine gegenüber einer Hubkolbenmaschine zum Erfolg verhelfen, üie bietet

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wegen dea theoretisch. unbegrenzten Verdichtan averh^ltnitres freie GeutLiltun^atii^lialilieit hinaicutiicti des jrennr.uiwes, so wie es bei einer aubkolbenbrennkraftaaeohine der ü'all i.-t. Daß diese Erwartungen begründet sind, beweisen .-.uefihrun^en, die von berufener ^-ite zu der hier in Rede stehenden 'liot^tionsuolbenanscLine ^,e^icht wurden. In de:a JucL "Felix ., ■ nkel" ^M..'irrteilun_t ^r der kot tionsKoluenri'. erschienen in der Deutschen Verla,;san::talt, bt. r- chverl _L ia. Jaiire I963» iot auf oeite 18 zu diesen iiot)tionskoii3enr'ii?.3chinen folgendes gesagt»

"Diese waachinenform fce.tioht durch ihre Arbeiter? umbildan,··, die iaat ohne sohädlichen "iaum ist. Ale -Tachteil ist anzusehen, dai die Leistungsaufnahme und -abgabe über die Zahnrüder erfolgt. Auch die ,.löslichkeiten der Selbststeuerung sind bei dieser .maschine nicht besondere vorteilhitj als Zweitakt iiiaachine Kann der · ■ olbenluufer ."Ci litze in den J.-itenv^tnden des Geh uses selbst steuern, wobei aber £enau v/ie bei der \ ubkolben-Zweitnktnacci.ine, eine Vorverdichtunp notwendig ist und fur .uuaoi.ieben» Cpiilen χιηΛ ^*'den nur die vou /erdioht- und /-.uedehntnkt vve^jeno^iiienen xuraen o.- kl^bsohnitte zur Verfüf',un^: ntehen. enn r«ie als Viertv^-ztm« chine r-rbeiten t*oll, muß, nnoh den von ürnnt üöp ner in Jaiire 1957 vor^eno.v.iem.n Jntersuc^ungen, der r.olbenläufer initunl\ufende iicitenacl eibe;i fir ten touervor£rnn,··. haben. J* bokonnt d idurcl· höherou .'ev/icht, ao daii bei der Verwendun/'. iil» r.reiakolbennaachine die fliehkr^rtbea i.n^te La^erbelaetun/: erheblich ansteigt. Auch iat die 'lunaiine de3 Haurauwea nicht erwünscht.
Eine andere Öteueruri^smönlichkeit ffir den Viertr-kt iat - wenn man

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von den hin- und hergehenden lellerventileB absieht - nur durch besonders angetriebene Drehschieber möglich. Die früheren Verbrennungsmotoren dieser Bauart sind teilweise in diesen Nachteilen und insbesondere an den Abdichtungssehwierigkeiten gescheitert".

Es kann unterstellt werden, daß sich trotz der Leistungsübertragung über die Zahnräder eine Ausführungsform verwirklichen läßt, die gegenüber vergleichbaren Hubkolbenmotoren einen kleineren Bauaufwand benötigt. In dieser Beziehung sind die Rotationskolbenmaschinen der Bauart "Si" denen der Bauart "Ka" unter Berücksichtigung des oben Gesagten als Verbrennungsmotoren annähernd gleichwertig, wenn es bei ihnen gelingt, den Viertakt-Arbeitsprozeß mit einer Selbststeueriuig zu verwirklichen.

Diese Aufgabe wird bei Rotationskolben-Brerrokrartmas^hinen der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung auf dem Umfangebogen Steueröffnungen sind, indem sie im Bereich der achsnahen Zonen des Kolbens angeordnet sind und allein durch Dichtleisten in den Ecken der Mantellauf bahn gesteuert werden.

Durch den erfindungsgemäßen Vorschlag werden sowohl für die Steuerung des Viertaktprozesses mitumlaufende Seitenscheiben als auch hin- und hergehende Tellerventile und auch besonders

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angetriebene Drehschieber vermieden. Die vorgeschlagene Bauart H TTa Il

Ka" hat gegenüber der Bauart "Si" ferner den Vorteil, daß der

Drehmomentf^gp^Lauf pro Exzenterwellenumdrehung gleichmäßiger ist. Darüber hinaus läßt sich für jeden Kolben die Schwankung des Drehmomentverlaufs durch Wahl eines entsprechend kleineren Übersetzungsverhältnisses (höhere Bogenzahl) ohne Verlust an Verdichtungsverhältnis vermindern.Im Gegensatz dazu fällt mit kleiner werdendem Übersetzungsverhältnis (mit steigender Eckenzahl) bei der Bauart "Si" das £ stark ab. Mit höherer Eckenzahl als 2 ist praktisch nicht einmal ein Otto-Betrieb zu verwirklichen.

Weiter bietet die ruhende Lage der Dichtelemente der "Ka"-Bauart im Gehäuse nicht nur die Möglichkeit einer gezielten Schmierung und intensiven Kühlung, sondern auch eine einfache Austauschmöglichkeit der Dichtelemente von außen ohne Demontage des Motors.

Gemäß der Erfindung sind die Ein- und Auslaßöffnungen über im Kolben befindliche Kanäle mit den Ein- und Auslaßöffnungen verbunden, die sich in den Stirnflächen des Kolbens befinden. Dabei erscheint es besonders zweckmäßig, wenn sich die Einlaßöffnungen auf der einen Stirnfläche des Kolbens und die Auslaßöffnungen auf der anderen Stirnfläche des Kolbens befinden.

Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung führen die stirnseitigen Ein- und Auslaßöffnungen jeweils in einen abge-

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dichteten Sammelraum des Gehäuses der Maschine, wobei insbesondere darauf geachtet ist, daß der oder die Sammelräume für den Gaswechsel gegen die Ölwanne der Maschine hinreichend abgedichtet sind. Hierzu wird zweckmäßig eine berührungsfreie Abdichtung gewählt, die durch Labyrinthe gebildet wird. Im übrigen können an die Gassammeiräume einfach Leitungen nach außen angeschlossen werden, weil die Steuerung der Maschine durch die in der Kolbenumfangsfläche befindlichen Ein- und Auslaßöffnungen im Zusammenhang mit den ,Dichtleisten erfolgt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.

Die Abb. 1 zeigt in schematischer Darstellung, sofern es zur Erläuterung der Erfindung erforderlich ist, einen Querschnitt durch eine Ereiskolbenbrennkraftmaschine, bei welcher das Kolbenprofil durch eine Epitrochoide mit zwei achsnahen Zonen bestimmt ist.

Die Abb. 2 zeigt einen Querschnitt entsprechend der Abb. 1, jedoch für eine Zreiskolbenbrennkraftmaschine mit vier achsnahen Zonen des Kolbens.

Die Abb. 3 zeigt in einem gegenüber den Abb. 1 und 2 größeren Maßstab einen Längsschnitt durch eine Kreiskolbenbrennkraftmaschine, der dem Prinzipnach sowohl als Schnitt für eine Maschine nach Abb. 1 als auch für eine Maschine nach Abb. 2 gelten könnte. Die Abb. 3 ist gegenüber den Abb. 1 und 2

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. mehr konstruktiv gehalten.

In den drei Abbildungen sind für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen verwandt. Wirkungsgleiche Teile sind in der geänderten Ausführung mit einem Strich gekennzeichnet.

Die Kreiskolbenbrennkraftmaschine nach Abb. 1 hat einen Kolben 1, dessen Profil durch eine Epitrochoide 2 bestimmt ist, die zwei achsnahe Zonen 3 und 4 hat. Das Gehäuseprofil 5 des feststehenden Gehäuses 6 verläuft nach der äußeren Hüllkurve der Epitrochoide 2. Die zur Abdichtung der Arbeitsräume notwendigen radial wirkenden Dichtleisten 7 sind in den Ecken der achsnahen Zonen des Gehäuses 6 angeordnet. Der Kolben 1 sitzt auf einem Exzenter 8, dessen in den Seitenwänden 9 des Gehäuses in Lagern 10 (Abb. 3) gelagerte Welle mit 11 bezeichnet ist. Zur kinematischen Lenkung des Kolbens 1 gegenüber dem Gehäuse 6 ist ein Getriebe vorgesehen, welches aus einem im Gehäuse feststehenden, innenverzahnten Rad 12 und einem mit dem Kolben verbundenen Ritzel 13 besteht (Abb. 3). Das Getriebe ist doppelseitig ausgebildet, wobei sich die Zahnräder in vom Kolbenraum getrennten Gehäuseteilen befinden, die jeweils noch durch einen Ring 14 abgegrenzt sind.

Die durch die äußere Htillkurve der Epitrochoide 2 bestimmte Mantellaufbahn 5 des Gehäuses bildet zusammen mit der äußeren Umfangefläche des Kolbens drei Arbeitsräume 15, 16, 17, die jeweils mit einem Brennraum 18 verbunden sind, in den eine

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Brennstoffeinspritzdüse 19 einmündet (Abb. 1).

Die Kreiskolbenbrennkraftmaschine arbeitet im Viertaktverfahren. Die Steuerung des Ladungswechsels geschieht durch eine Einlaßsteueröffnung 20 und eine Auslaßsteueröffnung 21, die auf demselben Umfangsbogen des Kolbens zwischen den achsnahen Zonen 3 und 4 liegen, in den die Steueröffnungen entsprechend der Kolbenbewegung die radial wirkenden Dichtleisten 7 überlaufen.

Die Einlaßsteueröffnung 20 und die Auslaßsteueröffnung 21 sind über im Kolben 1 befindliche Kanäle 24, 25 mit einer stirnseitigen Einlaßöffnung 22 bzw. Auslaßöffnung 23 verbunden. Der zwischen der Einlaßsteueröffnung 20 und der Einlaßöffnung angeordnete Einlaßkanal ist mit 24 bezeichnet. Dementsprechend ist mit 25 der Auslaßkanal bezeichnet.

Aus der Abbildung 3 ist ersichtlich, daß sich die Einlaßöffnung 22 auf einer Stirnfläche des Kolbens 1 und die Auslaßöffnung 23 auf der anderen Stirnfläche des Kolbens 1 befindet. Zwecks Vereinfachung der Darstellung sind in der "Abbildung 3 die Öffnungen 22 und 23 so versetzt gezeichnet, daß sie in dem gezeichneten Schnitt zu sehen sind.

Die Öffnungen 22 und 23 führen in seitliche Sammelräume 26 und 27, die gegen die Ölräume der Maschine abgedichtet sind. Dabei erfolgt die Abdichtung durch berührungsfreie Labyrinthe. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden diese dadurch gebildet, daß mit dem Kolben 1 verbundene Seitenscheiben 28, deren radial

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nach außen gerichtete scheibenförmige Durchtritte 29 in die Sammelräume 26 bzw. 27 führen, in den den Sammelräumen 26 und 27 vorgelagerten scheibenförmigen Ringraum 30 mit geringem seitlichen Spiel eintauchen.

Die Wirkungsweise der Maschine nach Abb. 1 ist folgende:

Die dargestellte Stellung des Kolbens 1 entspricht für den Arbeitsraum 15 der Stellung im oberen Totpunkt. Der Kolben hat zuvor die Verbrennungsluft verdichtet, so daß im Arbeitsraum 15 die Verbrennung vonstattengehen kann, indem die Dftse den Brennstoff in den mit dem Arbeitsraum 15 verbundenen Brennraum 18 einspritzt. Durch den Einlaßkanal 24_f der mit dem Arbeitsraum 16 in offener Verbindung steht, wird Verbrennungsluft angesaugt, während Abgase durch den Auslaßkanal 25 aus dem Arbeitsraum 17 ausgeschoben werden. Entsprechend der eingezeichneten Drehrichtung für den Kolben 1 vergrößert sich der Arbeitsraum 16, wogegen sich der Arbeitsraum 17 verkleinert. Wenn die Auslaßsteueröffnung 21 die in Drehrichtung zunächstgelegene Radialdichtung 7 überläuft, ist der Auslaßvorgang beendet. Etwa gleichzeitig ist der Einlaßvorgang für den Arbeitsraum 16 beendet, weil die Einlaßsteueroffnung 20 ebenfalls die in Drehrichtung nächstgelegene Radialdichtung 7 überläuft. Durch Versetzen der Steueröffnungen 21 und 22 längs des Kolbenumfangs können die Steuerzeiten beliebig verändert werden. Sobald der Arbeitsraum 15 mit dem Auslaßkanal 21 in Verbindung kommt, beginnt für den Arbeitsraum 15 der Auslaßtakt, für den Arbeitsraum 16 dagegen

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der Verdichtungstakt, für den Arbeitsraum 17 der Einlaßtakt. In der beschriebenen Art folgen für alle Arbeitsräume Einlaß, Verdichtung, Verbrennung mit Expansion und Auslaß in einer dem Viertaktverfahren entsprechenden Weise aufeinander.

Die Maschine nach Abb. 2 unterscheidet sich von der Maschine nach Abb. 1 dadurch, daß der Kolben 1 die zweifache Anzahl achsnaher Zonen und entsprechend mehr Einlaß- und Auslaßkanäle aufweist. Demgemäß ist auch die Anzahl der Arbeite- und Brennräume im Gehäuse gestiegen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt, sie ist allgemein bei Rotationskolbenbrennkraftmaschinen der hier in Rede stehenden Art anwendbar, deren Kolben eine durch zwei teilbare Anzahl von achsnahen Zonen aufweist.

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Claims

5. Sept. 1968 R/Dg - D 65/71 Patentansprüche

1. Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit Kämmeingriff und außen liegenden Dichtteilen, insbesondere Kreiskolbenbrennkraftmaschine, bei welcher das Kolbenprofil durch eine Trochoide, vorzugsweise Epitrochoide, bestimmt ist und dementsprechend das Gehäuseprofil nach der äußeren Hüllkurve der Irochoide verläuft, wobei der Kolbenumfang eine durch zwei teilbare Anzahl von achsnahen Zonen aufweist und im Kolben für den Gaswechsel Kanäle angeordnet sind, die eine stirnseitig angeordnete Ein- bzw, Auslaßöffnung mit einer auf jedem zweiten Umfangsbogen zwischen zwei aufeinanderfolgenden achsnahen Zonen des Kolbens vorgesehenen Einlaßöffnungen bzw. Auslaßöffnungen verbinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung auf dem Umfangsbogen Steueröffnungen (20,21) sind, indem sie im Bereich der achsnahen Zonen (3,4) des Kolbens (1) angeordnet sind und allein duroh Dichtleisten (4) in den Ecken der Mantellaufbahn (5) gesteuert werden.

2. Rotationskolbenbrennkraf'fcmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß sich die stirnseitige Einlaßöffnung (22) auf einer Stirnfläche des Kolbens und die stirnseitige Auslaßöffnung (23) auf der anderen Stirnfläche des Kolbens (1) befindet.

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3. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach, den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stirnseitige Ein- und Auslaßöffnung (22,23) mittelbar oder unmittelbar jeweils in einen abgedichteten Sammelraum (26,27) des Gehäuses (6) führen.

4. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung der Sammelräume (26,27) berührungsfrei über Labyrinthe erfolgt.

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