DE1451813C - Umlaufkolben Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Umlauf kolben- Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem aus Kolbennabe und Kolbenschiebern bestehenden Kolben und einem exzentrisch zur Kolbenachse angeordneten Mantel, der in seinem achsnahen Bereich eine Überströmkammer aufweist, deren Eintrittskanal ein Rückschlagventil enthält, und mit einer Zündkerze.

Eine derartige Umlaufkolben-Brennkraftmaschine ist aus der USA.-Patentschrift 2 827 025 bekannt. Bei einer derartigen Umlaufkolben-Brennkraftmaschine, die als Zweitakt-Ottomotor arbeitet, ist die Innenwand des exzentrisch zur Kolbenachse angeordneten Mantels insgesamt kreiszylindrisch und wird deshalb von der Kolbennabe nur längs einer Mantellinie berührt. Die Überströmkammer ist durch ein gesteuertes Ventil mit einem im Abstand hinter dem achsnahen Bereich des Mantels mündenden Austrittskanal verbindbar. Die Zündkerze ist in der Überströmkammer angeordnet, die somit zugleich die einzige Brennkammer der Maschine darstellt. Bei dieser bekannten Umlaufkolben-Brennkraftmaschine wird das gegebenenfalls vom vorgeschalteten Kompressor aufgeladene

ίο Gemisch vom Kolben weiter verdichtet und in der Überströmkammer bis zur Zündung gespeichert. Sowohl das Rückschlagventil als auch das zwischen der Überströmkammer und dem Austrittskanal angeordnete gesteuerte Ventil sind somit hohen Temperaturen ausgesetzt.

Es ist ferner eine als Zweitakt-Dieselmotor mit Spülluftkompressor ausgebildete Umlaufkolben-Brennkraftmaschine mit Hub- und Schlupfeingriff bekannt (französische Patentschrift 819 085), die ebenfalls einen aus Kolbennabe und Kolbenschiebern bestehenden Kolben und einen exzentrisch zur Kolbenachse angeordneten Mantel aufweist. Der achsnahe Bereich des Mantels hat eine dem Abstand zwischen je zwei Kolbenschiebern entsprechende Umfangslänge mit gleichem Radius wie die Kolbennabe. Der Mantel weist außer einem Ansaugkanal und einem Auspuffkanal keinen weiteren Kanal auf, die Einspritz- und SpüUuftkanäle sind in der Kolbennabe angeordnet. Die SpüUuftkanäle sind von Rückschlagventilen gesteuert, die ebenfalls in der Nabe angeordnet und demzufolge schwer zugänglich sind.

Schließlich ist auch eine Umlauf koIben-Brennkraftmaschine mit einem aus Kolbennabe und Kolbenschiebern bestehenden Kolben und einem exzentrisch zur Kolbenachse angeordneten, zylindrischen Mantel bekannt (französische Patentschrift 1031936), die mit Luftansaugung, Brennstoffeinspritzung und Fremdzündung arbeitet und deren Kolbennabe in der Mitte zwischen je zwei Kolbenschiebern Brennkammern von dreieckigem Querschnitt aufweist. Die angesaugte und in jeweils einer Brennkammer verdichtete Luft wird in dieser Brennkammer am achsnahen Bereich des Mantels vorbeibewegt, und hinter dem achsnahen Bereich wird der Brennstoff unmittelbar in die Brennkammer eingespritzt und dann gezündet. Bis zum Einspritzen des Brennstoffs hat sich die Luft in der Brennkammer schon beruhigt, so daß zum Vermischen des Brennstoffs mit der Luft nur die Bewegungsenergie zur Verfugung steht, die dem Brennstoff beim Einspritzen mitgeteilt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umlaufkolben-Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art mit einfachen Mitteln für den Brennstoffeinspritzbetrieb derart weiterzubilden, daß sich eine vollständigere Durchmischung des Brennstoffs mit der Luft ergibt, als sie bei bekannten Umlaufkolben-Brennkraftmaschinen mit Brenneinspritzung erreichbar ist.

Diese Aufgabe ist bei Verwendung einer Umlaufkolben-Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art als luftansaugende Umlaufkolben-Brennkraftmaschine erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale gelöst, daß

a) der achsnahe Bereich des Mantels eine dem Abstand zwischen je zwei Kolbenschiebern entsprechende Umfangslänge mit gleichem Radius wie die Kolbennabe aufweist,

b) in die Überströmkammer ein Einspritzkanal mündet, der den Brennstoff in einen — in Drehrichtung gesehen — vor dem Ende des achsnahen Bereichs des Mantels mündenden Austrittskanal spritzt, und

c) in der Kolbennabe jeweils in der Nähe eines Kolbenschiebers Brennkammern vorgesehen sind.

Bei der erfindungsgemäßen Umlaufkolben-Brennkraftmaschine wird der Austrittskanal der Überströmkammer von der Kolbennabe übersteuert, so daß die verdichtete Luft aus der Überströmkammer jeweils nur dann ausströmen kann, wenn der Mündung des Austrittskanals eine der in der Kolbennabe vorgesehenen Brennkammern gegenübersteht. In diesem Augenblick, in dem die verdichtete Luft im Austrittskanal eine hohe Strömungsgeschwindigkeit erhält, wird der Brennstoff eingespritzt; infolgedessen trägt zur Durchwirbelung des Brennstoffs mit der Luft nicht nur die Einspritzenergie des Brennstoffs sondern auch die Strömungsenergie der Luft bei. Bei der anschließenden Zündung des Brennstoff-Luftgemisches wird die Überströmkammer und insbesondere das zwischen dieser und dem Eintrittskanal angeordnete Rückschlagventil thermisch nicht beansprucht.

Die Zündkerze ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine am Ende des achsnahen Bereichs des Mantels angeordnet. Bei dieser Anordnung bleibt zumindest der größte Teil des achsnahen Bereichs im Betrieb kühl, so daß dort keine Abdichtschwierigkeiten entstehen, und die Überströmkammer sowie das Rückschlagventil werden nicht nur von der Verbrennungstemperatur sondern auch vom Verbrennungsdruck verschont.

Die Durchwirbelung der Luft beim Ausströmen aus der Uberströmkammer wird noch verbessert, wenn die Überströmkammer die Form einer Venturidüse hat.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn jeweils ein Verbindungskanal zwischen der Brennkammer und dem Grund der den benachbarten Kolbenschieber aufnehmenden Nut vorgesehen ist. Hierdurch unterstützt der Verbrennungsdruck die Zentrifugalkräfte in dem Bestreben, die Kolbenschieber, die jeweils unmittelbar nach dem Zünden den achsnahen Bereich des Mantels verlassen, radial nach außen zu beschleunigen, damit sie auch am Übergang zwischen dem achsnahen Bereich und dem übrigen Bereich der Innenwand des Mantels, der eine Unstetigkeit darstellt, gegen den Mantel gut abdichten.

Die Brennkammern haben vorzugsweise im Querschnitt jeweils die Form eines ungleichschenkligen Dreiecks, dessen längerer Schenkel die Verschieberichtung des benachbarten Kolbenschiebers am Umfang der Kolbennabe unter einem Winkel von 45° schneidet.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden an Hand einer schematischen Zeichnung eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt einer Umlaufkolben-Brennkraftmaschine und

Fig.2 einen Teilschnitt längs des Kreisbogens II-IIinFig. 1.

Die in F i g. 1 dargestellte Maschine weist einen Mantel 10 auf, dessen Innenwand sich aus einem größeren exzentrischen zylindrischen Bereich 12 und einem kleineren, ebenfalls zylindrischen, achsnahen Bereich 14 zusammensetzt. Am achsnahen Bereich 14 liegt eine zylindrische Kolbennabe 16 an, deren Radius im wesentlichen der gleiche ist wie der Radius des achsnahen Bereichs. Die Kolbennabe 16 weist mehrere, im dargestellten Beispiel drei, radiale Nuten 18 auf, die in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind, sich über die gesamte Länge der Außenfläche der Kolbennabe 16 erstrecken und je einen zweiteiligen Kolbenschieber 22 enthalten.

ίο Angrenzend an diese Nut 18 ist in der Kolbennabe 16 eine offene Brennkammer 24 derart angeordnet, daß sie in der Betriebsdrehrichtung, die in F i g. 1 durch einen Pfeil angedeutet ist, hinter der zugehörigen Nut 18 herläuft. Jede Brennkammer 24 hat im Querschnitt die Form eines Dreiecks, dessen einer Schenkel 26 wesentlich langer als der zweite Schenkel 28 ist.

Der längere Schenkel 26 erstreckt sich von der rückwärtigen Kante der angrenzenden Nut 18 unter einem Winkel von annähernd 45° in bezug auf die radiale Ebene dieser Nut in die Kolbennabe 16 hinein. Zwischen dem Grund jeder Brennkammer 24 und dem Grund der benachbarten Nut 18 ist ein Verbindungskanal 29 vorgesehen.

Die Kolbennabe 16 ist konzentrisch auf der Welle 30 befestigt, die in bezug auf den Mantel 10 exzentrisch gelagert ist.

Annähernd in der Mitte des größeren zylindrischen Bereichs 12 des Mantels 10 sind nebeneinander ein Ansaugkanal 32 und ein Auspuffkanal 34 angeordnet. Diesen Kanälen ist innerhalb eines mit dem Mantel 10 verschraubten Blocks 37 je ein Rückschlagventil 38 bzw. 40 zugeordnet.

Ungefähr am Übergang zwischen dem größeren zylindrischen Bereich 12 und dem achsnahen zylindrischen Bereich 14 der Innenwand des Mantels 10, in Drehrichtung des Kolbens gesehen, hinter dem Auspuffkanal 34, ist ein Eintrittskanal 64 für die vom Kolben verdichtete Luft angeordnet, der sich durch den Mantel 10 hindurch erstreckt. Am äußeren Ende des Eintrittskanals 64 ist eine Schulter 66 vorgesehen, die einen Sitz für ein Rückschlagventil 68 bildet. Das Rückschlagventil 68 besteht aus einem Federmetallstreifen, der von einem Steg 70 festgeklemmt und breit genug ist, um das äußere Ende des Eintrittskanals 64 abzudecken. Der Eintrittskanal 64 mündet in eine Uberströmkammer 73, die mit einem Austrittskanal 80 verbunden ist. Der Austrittskanal 80 mündet seinerseits etwa in der Mitte des achsnahen Bereichs 14 wieder in den Innenraum des Mantels 10.

Die Überströmkammer 73 in F i g. 2 hat im dargestellten Beispiel die Form einer Venturidüse und besteht aus einem konvergierenden Abschnitt 74, einer Drosselstelle 76 und einem divergierenden Abschnitt

78. Diese Form bewirkt, daß die vom Kolben verdichtete Luft in der Überströmkammer 73 beschleunigt und durchwirbelt wird.

Die Überströmkammer 73 ist durch einen Block 82 abgedeckt, der am Mantel 10 mit Schrauben 84 befestigt ist. Am Block 82 ist eine Brennstoffeinspritzleitung 86 mit einem Befestigungsring 85 und einer Einstellschraube 87 einstellbar befestigt. Die Brennstoffeinspritzleitung 86 enthält eine übliche nicht dargestellte Zerstäubungseinrichtung, von der fein zerstäubte Tröpfchen des flüssigen Brennstoffs durch einen Einspritzkanal 88 in den Raum unmittelbar oberhalb des Austrittskanals 80 eingespritzt werden können.

Ungefähr am Übergang zwischen dem achsnahen Bereich 14 und dem größeren zylindrischen Bereich 12 der Innenwand des Mantels 10 ist eine Zündkerze 90 angeordnet, deren Elektrode 92 zumindest annähernd auf der in Drehrichtung des Kolbens hintersten Mantellinie des achsnahen Bereichs liegt.

Die beschriebene Maschine arbeitet folgendermaßen: Es sei angenommen, die Kolbennabe 16 nehme die in F i g. 1 gezeigte Stellung ein, und die Brennkammer 24, die der Zündkerze 90 gegenübersteht, enthalte ein Brennstoff-Luft-Gemisch. Wenn die Kante zwischen der radialen Nut 18 und dem längeren Schenkel 26 der Brennkammer 24 sich geringfügig über das Ende des achsnahen Bereichs 14 hinausbewegt hat, wird das Brennstoff-Luft-Gemisch von der Zündkerze 90 gezündet. Die Kraft der sich ausdehnenden Verbrennungsgase wirkt auf den benachbarten Kolbenschieber 22, der inzwischen teilweise aus seiner Nut 18 herausgetreten ist; dadurch wird die Kolbennabe 16 im Uhrzeigersinn gedreht. Der erwähnte Kolbenschieber 22 gleitet unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte so weit nach außen, daß er ständig an der Innenwand des Mantels 10 anliegt; hierin wird er vom Druck der Verbrennungsgase unterstützt, der durch den Verbindungskanal 29 von der Brennkammer 24 zum Grund der Nut 18 gelangt.

Wenn der betrachtete Kolbenschieber 22 die Stellung zwischen dem Ansaugkanal 32 und dem Auspuffkanal 34 erreicht, werden — obwohl der Ansaugkanal nun frei liegt — die Verbrennungsgase noch nicht aus dem Maschineninneren ausgestoßen, da das Rückschlagventil 38 nicht öffnet, ehe der Druck im Ansaugkanal unter den Atmosphärendruck abgefallen ist, wobei angenommen wird, die Maschine werde bei Atmosphärendruck betrieben. Wenn der betrachtete Kolbenschieber 22 am Auspuffkanal 34 vorbeigleitet, öffnet der Druck der Verbrennungsgase das Rückschlagventil 40. Die Verbrennungsgase werden nun rasch aus dem Inneren des Mantels 10 ausgestoßen. Infolgedessen fällt der Druck in der Kammer zwischen dem betrachteten Kolbenschieber und dem ihm folgenden Kolbenschieber unter den Atmosphärendruck, und das Rückschlagventil schließt wieder, während gleichzeitig das Rückschlagventil 38 öffnet, so daß Frischluft in die Kammer hinter dem betrachteten Kolbenschieber 22 angesaugt wird. Sobald das angesaugte Luftvolumen einen Druckanstieg im Ansaugkanal 32 über den Atmosphärendruck zur Folge hat, schließt das Rückschlagventil 38.

Die angesaugte Luft hat in der Kammer hinter dem betrachteten Kolbenschieber 22 zunächst noch annähemd Atmosphärendruck. Wenn der nächstfolgende Kolbenschieber über den Auspuffkanal 34 hinwegläuft, beginnt sich das Volumen des Raumes vor diesem Kolbenschieber zu verkleinern, so daß die darin enthaltene Luft verdichtet wird. Wenn die Verdichtung einen bestimmten Druck erreicht hat, öffnet sich das Rückschlagventil 68, und die verdichtete Luft tritt in die Überströmkammer 73 ein. In diesem Augenblick hat sich die Brennkammer 24, die unmittelbar hinter dem ursprünglich betrachteten Kolbenschieber angeordnet ist, schon am Austrittskanal 80 vorbeibewegt, so daß dieser von der Außenfläche der Kolbennabe 16 wieder verschlossen gehalten und ein Austreten der verdichteten Luft aus der Überströmkammer 74 verhindert wird.

Wenn der auf diese Bremskammer folgende Kolbenschieber 22 sich über den Eintrittskanal 64 hinwegbewegt hat, fällt der Luftdruck im Eintrittskanal ab, da das Luftvolumen in der Kammer, die diesem Kolbenschieber folgt, noch nicht komprimiert ist. Da der Druck in der Uberströmkammer 73 um vieles größer ist, schließt das Rückschlagventil 68, so daß die verdichtete Luft in der Überströmkammer 73 gespeichert bleibt, bis die nächste Brennkammer 24 den Austrittskanal 80 erreicht. In diesem Augenblick strömt die verdichtete Luft sofort aus der Überströmkammer 73 aus, wird dabei durch die Venturidüsenform dieser Kammer erheblich beschleunigt und gelangt durch den Austrittskanal 80 in die offene Brennkammer 24. Gleichzeitig wird der Brennstoff in Form von zerstäubten Tröpfchen aus der Brennstoffeinspritzleitung 86 durch den Einspritzkanal 88 in den Strömungsweg der verdichteten Luft eingespritzt.

Wenn der kürzere Schenkel 28 der auf diese Weise mit Brennstoff-Luft-Gemisch gefüllten Brennkammer 24 beginnt, die Mündung des Austrittskanals 80 zu schließen, wird die Brennstoffeinspritzung unterbrochen. Das Brennstoff-Luft-Gemisch in der zuletzt betrachteten Brennkammer 24 wird dann durch die weitere Drehung der Kolbennabe 16 in den Bereich der Zündkerze 90 gebracht und dort gezündet. Daraufhin beginnt die Maschine ihren nächsten Arbeitszyklus.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Umlaufkolben-Brennkraftmaschine mit Hubeingriff und Schlupfeingriff zwischen einem aus Kolbennabe und Kolbenschiebern bestehenden Kolben und einem exzentrisch zur Kolbenachse angeordneten Mantel, der in seinem achsnahen Bereich eine Überströmkammer aufweist, deren Eintrittskanal ein Rückschlagventil enthält, und mit einer Zündkerze, gekennzeichnet bei Verwendung als luftansaugende Umlaufkolben-Brennkraftmaschine durch die Kombination der Merkmale, daß

a) der achsnahe Bereich (14) des Mantels (10) eine dem Abstand zwischen je zwei Kolbenschiebern (22) entsprechende Umfangslänge mit gleichem Radius wie die Kolbennabe (16) aufweist,

b) in die Überströmkammer (73) ein Einspritzkanal (88) mündet, der den Brennstoff in einen — in Drehrichtung gesehen — vor dem Ende des achsnahen Bereichs (14) des Mantels (10) mündenden Austrittskanal (80) spritzt, und

c) in der Kolbennabe (16) jeweils in der Nähe eines Kolbenschiebers (22) Brennkammern (24) vorgesehen sind.

2. Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündkerze (90) am Ende des achsnahen Bereichs (14) des Mantels (10) angeordnet ist.

3. Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkammer (73) die Form einer Venturidüse hat.

4. Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Verbindungskanal (29) zwischen der Brennkammer (24) und dem Grund der den benachbarten Kolbenschieber (22) aufnehmenden Nut (18) vorgesehen ist.

5. Umlaufkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammern (24) im Querschnitt jeweils die Form eines ungleichschenkligen Dreiecks (26, 28) aufweisen, dessen längerer Schenkel (26) die Verschieberichtung des benachbarten Kolbenschiebers (22) am Umfang (20) der Kolbennabe (16) unter einem Winkel von 45° schneidet.