DE2012934A1

DE2012934A1 - Drehkolbenexplosionsmotor

Info

Publication number: DE2012934A1
Application number: DE19702012934
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Constructions Mecaniques Panhard et Levassor SA
Current assignee: Constructions Mecaniques Panhard et Levassor SA
Priority date: 1969-03-18
Filing date: 1970-03-18
Publication date: 1970-10-01
Also published as: GB1310578A; ES377098A1; FR2038520A5; US3683868A

Description

-"" Patentanwälte Dip!, !rg. F. Wsickmsnn, Dipl. Ing. H. 'A'Gictosr.i¹., up!. Ρ',νμ. Dr. K. Fincke Dip). Ing. F. A. WöLk^'ü, D!;:!. Ghs.,1. B. Huber

8 KOncbsn 27, iifiöhlslr. 22

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SOCIETE DE CONSTRUCTIONS MECANIQUES PANHARD ET LEVASSOR 18, Avenue d'Irvy, 75 Paris, Prankreich Drehkolbenexplosionsmotor.

Die Erfindung betrifft die Drehkolbenexplosionsmotoren mit einem Gehäuse, dessen innere Umfangswand wenigstens.eine Zündkerze trägt und eine innere Oberfläche in Form einer Trochoide besitzt, sowie mit einem Drehkolben mit mehreren Kanten, welcher auf seinem Umfang Ausnehmungen trägt, | deren Volumen zur Bestimmung des Verdichtungsgrades des Motors beiträgt, und welcher innerhalb des Gehäuses durch seine mit der inneren Oberfläche desselben in Berührung stehenden Kanten Kammern veränderlichen Volumens definiert.

Von derartigen Motoren betrifft die Erfindung insbesondere, wenn auch nicht ausschliesslich, solche mit einem Kolben mit drei Lappen und/oder für Kraftfahrzeuge*

Sie bezweckt insbesondere, diese Motoren

so auszubilden, dass die Verbrennung des ihnen zugeführten vergasten Gemische schneller und vollständiger erfolgt.

Hierfür ist der erfindungsgemässe Dreh-

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kolbenmotor der betrachteten Art dadurch gekennzeichnet, dass in der Umfangswahd des Gehäuses eine Wirbelkammer ausgebildet ist, welche durch eine breite öffnung mit dem Innern des Gehäuses in einer solchen Zone in Verbindung steht, dass beim Vorbeigang einer Kante des Kolbens an dieser Zone praktisch die Gleichheit der Drucke der durch diese Kante getrennten Kammern dadurch erzielt wird, dass das Volumen einer j.eden Ausnehmung des Kolbens (gegenüber einem Motor mit gleichen geometrischen Verhältnissen ohne Wirbelkammer) um einen Wert verringert ist, welcher praktisch gleich dem Volumen der Wirbelkammer für einen gegebenen Verdichtungsgrad ist, sowie dadurch, dass die Zündkerze oder eine der Zündkerzen in dieser Wirbelkammer angeordnet ist.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezug-

nähme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert, deren einzige Abbildung einen schematischen Schnitt einee erfindungsgemässen Drehkolbenmotors darstellt·

Der Motor besitzt ein Gehäuse 1, dessen

ümfangswand eine vorzugsweise zylindrische Innerfläche 2 aufweist, welche im Querschnitt die Form einer Trochoide mit zwei Bögen hat. In dem Gehäuse sind eine Einlassöffnung 3 und eine Auslassöffnung 4 für den Durchgang des Gemischs aus Brennstoff und Sauerstoffträger bzw. der verbrannten Gase ausgebildet. An einer geeigneten Stelle ist in der Umfangswand des Gehäuses eine schematisch durch einen Zick-Zack-Pfeil dargestellte Zündkerze 5a angeordnet. Innerhalb des Gehäuses befindet sich ein Drehkolben 6 in Form eines geraden Prismas, dessen Profil die Form eines konvexen gleichseitigen Kurvendreiecks hat. Der Kolben 6 besitzt drei Kanten 7, 8 und 9, welche während der Bewegung ständig mit der Oberfläche 2 in Berührung bleiben. Die Anordnung ist in an sich bekannter Weise so getroffen, dass der Kolben 6 gegenüber dem Gehäuse 1 eine ebene Bewegung auf einer Ebene ausführt, bei welcher die Rollkurve ein an den Kolben 6 gebundener Kreis 10 und die Rollbahn ein innerhalb des ersteren liegender, an das Gehäuse 1 gebundener Kreis 11 ist» Der Mittelpunkt des Kreises 10 liegt auf einer durch den Schwerpunkt des Kolbens 6 gehenden, zu den Mantel-

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linien dee Kolbens parallelen Achse 12. Der Mittelpunkt des Kreises 11 liegt auf einer durch das Symmetriezentrum der Oberfläche 2 gehenden, zu den Mantellinien derselben parallelen Achse 13. Der Motor ist mit einer zu der Achse 13 gleichachsigen Welle 14 versehen, wobei Mittel für den Antrieb dieser Welle durch den Kolben 6 vorgesehen sind. In jeder der gebogenen Flächen des Kolbens 6 sind identische längliche Ausnehmungen 1 5 ausgebildet, deren Breite kleiner als die des Kolbens ist, und deren Volumen zur Bestimmung des.Verdichtungsgrades oder des volumetrischen Verhältnisses des Motors beiträgt. Der mit der Oberfläche 2 durch seine Kanten 7,8 und 9 in Berührung stehende Kolben 6 teilt das Innenvolumen des Gehäuses 1 in drei von den Kanten 7 und 8 bzw. 8 und 9 bzw«, und 7 begrenzte Kammern veränderlichen Volumens 16, 17 und 18«,

Ein derartiger Motor arbeitet bekanntlich folgendermassen. -_ *

Wenn sich der Kolben 6 in dem Sinn des

Pfeils F (Uhrzeigersinn auf der Abbildung) dreht, dienen die Kammern 16, 17 und 18 nacheinander als Ansaugekammer, Verdichtungskammer, Brennkammer und Entspannungs- und Abfuhr kammer". Wenn das Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoffträger den gewünschten Verdichtungsgrad erreicht, was stets gegenüber ein und derselben Zone 19 der Oberfläche 2 der Fall ist, springt ein Zündfunke über und entzündet das Gemisch, welches verbrennt, sich entspannt und hierauf abgeführt wird.

Es ist zu bemerken, dass sich auf der

Abbildung die Kammer 17 etwa am Ende der Verdichtungsphase befindet, d.h. dass der Kolben 6 praktisch seinen oberen dem kleinsten Volumen der Kammer 17 entsprechenden Totpunkt erreicht hat. Die Kammer besitzt dann ein erheblich kleineres Volumen als die Kammer 16, hat aber eine sehr langgestreckte Form, welche in dem Augenblick der Vornahme der Zündung eine schnelle Fortpflanzung der Verbrennung nicht begünstigt.

Um die Schnelligkeit der Verbrennung zu

erhöhen, ist erfindungsgemäss in der Umfangswand des Gehäuses 1 eine Wirbelkammer 20 ausgebildet, welche durch eine breite Öffnung 21 mit dem Innern des Gehäuses in einer solchen Zone 22 in Verbindung steht, dass beim Vorbeigang einer Kante (z.B.

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der Kante 9) des Kolbens 6 an dieser Zone die Brüoke in den durch diese Kante voneinander getrennten Kammern (17 und 18 bei dem gewählten Beispiel) einander gleich sind, wobei das Volumen einer jeden Ausnehmung 15 des Kolbens 6 (gegenüber einem Motor mit gleichen geometrischen Abmessungen ohne Wirbelkammer) um einen Wert verringert ist, welcher etwa gleich dem Volumen der Wirbelkammer 20 ist, wobei die Zündkerze 5a in dieser Kammer 20 angeordnet ist. Diese Kammer erhält eine konzentrierte Form, welche eine Wirbelbewegung der Gase und eine schnelle Fortpflanzung der Verbrennung in dem Gemisch aus Brennstoff und Sauerstoffträger bewirkt. Wie aus den obigen Ausführungen abgeleitet werden kann, ist das Volumen dieser Kammer kleiner als das Volumen der Ausnehmung, welche in dem Kolben des Motors mit gleichen geometrischen Verhältnissen ohne Wirbelkammer vorhanden ist. Die Grössenordnung des Volumens der Kammer 20 beträgt etwa 2 # des grössten Volumens der Kammern 16, 17 und 18, d«h. 10 ml, wenn dieses höchste Volumen 500 ml beträgt. Die Abmessungen der öffnung 21 sind grossenordnungsmassig die gleichen wie die der Auslassöffnung 4, was gestattet, eine schnelle überführung von Gasen zwischen der Wirbelkammer 20 und den Kammern 16, 17 oder 18 zu erzielen. Die öffnung 21 reicht natürlich nicht über die ganze Lange einer Erzeugenden der Zylinderfläche 2, um eine ständige Führung der Kanten 7, 8, 9 zu ermöglichen, welohe im allgemeinen durch radial gegenüber dem Kolben 6 verschiebliche, sich über die ganze Länge einer Erzeugenden desselben erstrekkende Kolbenringe gebildet werden.

Die Wahl der Lage der Kammer 20 ist wich-

F tig, da beim Vorbeigang einer Kante 7, 8 oder 9 an ihr eine Verbindung zwischen .zweien der drei Kammern 16, I7_f 18 hergestellt wird, d.h. zwischen den beiden dann beiderseits der betreffenden Kante liegenden Kammern. Eine Überführung von Gas • z.B. zwischen den Kammern 17 und 18 kann dann das richtige Arbeiten des Motors beeinträchtigen, insbesondere wenn frische Gase unverbrannt au3 der Kammer 17 zu der öffnung 4 über die Kammer 18 entweichen, wodurch der Wirkungsgrad des Motors verringert wird. Aus diesem Grunde ist die Zone 22, in welche die Kamr.er 20 mündet, so gewählt, dass eine sogen. "Gleichgewichtsmantellinie" 23, welche jetzt genauer definiert werden

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soll, in dieser Zone liegt. Die Gleiehgewichtsmantellinie 23 der Qtoerflache 2 ist so beschaffen, dass beim Vorbeigang einer Kante des Kolbens 6 an ihr Gleichheit zwischen den Drücken der .beiderseits der Kante liegenden Kammern besteht, d.h. bei der Kante 9 Gleichheit zwischen dem Druck der Kammer 17, in welcher die Verdichtung vorsichgeht, und dem Druck der Kammer 18, in welcher die Entspannung erfolgt. Die Überführung von Gasen zwischen den beiden Kammern 17 und 18 ist dann in dem Augenblick, in welchem die Wirbelkammer 20 eine Verbindung zwischen ihnen herstellt, minimal.

Die Maritellinie 23 liegt in einem Quadranten, dessen Scheitel auf der Achse 13 liegt, und welcher dem die Einlassöffnung 3 enthaltenden entgegengesetzt ist. Es genügt übrigens, dass die öffnung 21 die Mantellinie 23 in dem Augenblick der Gleichheit der Drücke übergreift, ohne dass sie zu dieser'Mantellinie genau symmetrisch liegen muss.

Έβηη. die öffnung z.B. etwa rechteckig oder

elliptisch ist, können ihre Achsen eine Schräglage gegen die Mantellinien der Zylinderfläche 2 besitzen, wobei dann der Einfachheit halber gesagt werden kann, dass diese Öffnung 21 schräg zu den Mantellinien der Wand liegt.

Die Wirbelkammer 20 kann unmittelbar

beim Guss hergestellt werden, wenn das Gehäuse aus gegossenem Metall hergestellt ist, und eine Fertigbearbeitung erfahren, sie kann jedoch auch vollständig durch Bearbeitung hergestellt werden, wobei dann das Gehäuse aus gegossenem Metall oder aus geschmiedetem Metall hergestellt ist. Ein bequemes Verfahren zur Ausarbeitung dieser Kammer besteht z.B. darin, in. der Wand des Gehäuses von der Innenfläche aus etwa in der Mitte der Gleichgewichtsmantellinie 23 (welche als durch die querliegenden Flächen des Gehäuses begrenzt angesehen wird) zwei zylindrische nicht durchgehende Bohrungen mit einem Durchmesser und einer Länge herzustellen, welche der Herstellung des der Wirbelkammer zu gebenden Volumens entsprechen, wobei die Achsen dieser Bohrungen schräg symmetrisch beiderseits der Achse der Zündkerzenkammer in einer die Achse der Zündkerzenkammer und die Gleiehgewichtsmantellinie 23 enthaltenden Ebene auseinandergehen.

Die Ausnehmungen 15 haben eine mehr oder

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weniger längliche Ροπή, und ihr Boden hat eine solche Oberfläche, dass, wenn man sie in dem Sinn des Pfeils F durch-

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lauft ,/auf eine Zone 15ji trifft, welche eben oder mit geringer Krümmung konvex oder konkav sein kann und sich tangential entweder unmittelbar oder über eine Zone 15£, welche eben, konkav oder konvex sein kann, an eine konkave.Endζone 15b anschliesst, deren Krümmung so bestimmt ist, dass die Wirbelbewegung in der Kammer 20 begünstigt wird· In der Abbildung sieht man z.B. eine Ausnehmung, deren Boden eine konkave Oberflächenzone mit geringer Krümmung i5a aufweist, welche sich an eine stärker gekrümmte konkave Oberflächenzone 15Jo über eine konvexe Zwischenzone 15£ anschliesst.

Ferner kann noch die Verbrennung in an

sich bekannter Weise dadurch verbessert werden, dass wenigstens eine andere Zündkerze 5,b in dem "hinteren¹¹ Abschnitt der Brennkammer angeordnet wird, welcher nachstehend definiert ist, wobei diese Zündkerze wie die erste schematisch dargestellt ist.

Für die einen bedeutenden Wärmefluss

empfangende Kammer 20 sind nicht dargestellte Kühlmittel vorgesehen.

Die Arbeitsweise eines derartigen Motors ist folgende.

Es sei z»B. das Verhalten der Kammer 17

bei der Drehung des Kolbens 6 in dem Sinn des Pfeils F betrachtet.

Wenn sich die Kammer 17 in der in der

Abbildung für die Kammer 16 dargestellten Stellung befindet, steht sie mit der Einlassöffnung 3 in Verbindung, ihr Volumen nimmt zu und sie dient als Ansaugekämmer,

Wenn die Kante 8 die Öffnung 3 überschritten hat, ist die Kammer 17 abgetrennt, und ihr Volumen nimmt ab. Die Kammer 17 ist eine Verdichtungskammer geworden. Der Druck der Gase der Kammer 17 nimmt zu, während die Kante 9 die Zündkerze 5b überschreitet und sich der Wirbelkammer 20 nähert.

Wenn die Kante 9 an die Stelle der Öffnung

21" der Kammer 20 kommt, entsteht eine Verbindung zwischen der Kammer 17, in welcher die Verdichtung vor sich geht, und der Kammer 18, in v/elcher die Entspannung erfolgt. Infolge der

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Wahl der Stellung der öffnung 21 sind jedoch die Drücke in den Kammern 17 und 18 und somit in der Kammer 20 gleich, und die überführung zwischen frischen Gasen der Kammer 17 und verbrannten Gasen der Kammer 18 ist minimal. Wenn die Kante 9 die öffnung 21 überschritten hat (in der Abbildung dargestellte Stellung), ist die Kammer 17 von neue.m abgetrennt, und, wie aus der Abbildung hervorgeht, kommt der Abschnitt 15b der entsprechenden Ausnehmung 15 des Kolbens 6 der Kammer 20 gegenüber. Die Kammer 17 ist dann in zwei Abschnitte unterteilt, nämlich einen in dem Sinn des Pfeils F vorderen durch die Kante 9 begrenzten Abschnitt, dessen Volumen zunimmt, und in welchem sich die öffnung 21 befindet, und einen hinteren Abschnitt, welcher durch die Kante 8 begrenzt wird, welche die Zündkerze 5b_ noch nicht erreicht hat, und dessen Volumen abnimmt · ■■".".

Innerhalb der dann abgetrennten Kammer 17

erfolgt also ein Gasübergang von dem hinteren Abschnitt zu dem ▼orderen Abschnitt, und in der Kammer 20 wird eine durch die Zone 15b der Ausnehmung 15 begünstigte Wirbelbewegung erzeugt.

Die Zündung des Gemische aus Brennstoff

und Sauerstofftrager erfolgt, wenn die mit der Wirbelkammer 20 in Verbindung stehende Brennkammer 17 von der Kammer 18 abgetrennt ist. Der sich mit dem Betriebszustand ändernde Zündpunkt erstreckt sich über einen Winkelbereich A der Stellungen der Achse 12, welcher von etwa 80 vor dem oberen Totpunkt bis zu 20° nach dem oberen Totpunkt reicht. In der Abbildung entspricht die.Stellung des oberen Totpunkts dem Durchgang der Achse 12 durch die zwischen den öffnungen 3 und 4 hindurchgehende Symmetrieebene der Oberfläche 2. Auf die Zündung der Gase des vorderen Abschnitts der Kammer 17 durch die Zündkerze 5a folgt eine schnelle Verbrennung infolge des konzentrierten Volumens der den grösivten Teils des Gemische enthaltenden Wirbelkammer 20c Die Gase des hinteren länglicheren Abschnitts der Kammer 17 werden praktisch gleichzeitig gezüride-t, insbesondere durch die Zündkerze 5b.

Die Entspannung geht dann in der Kammer 17

vor sich, deren Volumen zunimmt, und welche mit dem Auslass in Verbindung kommt, wenn die Kante 9 die öffnung 4 überschritten

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hat.

Der erfindungsgemässe Drehkolbenmotor besitzt folgende Vorteile.

Erstens ist infolge der durch die Kammer

20 und die Ausnehmungen 15 des Kolbens erzeugten Wirbelbewegung und infolge der konzentrierten Form dieser Kammer die Verbrennung schneller und vollständiger. Der Gehalt an unverbrannten Gasen nimmt ab, die Auspufftemperatur nimmt ab, da die Verbrennung sich nicht in der Entspannungskammer (z.B. 18 in dem in der Abbildung dargestellten Fall) fortsetzt, und der thermische Wirkungsgrad des Motors nimmt zu.

Zweitens erhält man infolge der Verringerung des Volumens der Ausnehmungen 15 bei praktisch konstantem volumetrischem Verhältnis einerseits eine vollständigere P Abfuhr der verbrannten Gase durch die Auslassöffnung 4, da das kleinste Volumen der Kammern 16, 17, 18 abgenommen hat, und andererseits wird der Durchtrittsquerschnitt zwischen der Auslassöffnung 4 und der Einlassöffnung 3 verringert, wenn der Kolben 6 seine in der Abbildung strichpunktiert dargestellte Stellung einnimmt. Hierdurch wird der übertritt von verbrannten Gasen in die EinlasskaKmer verringert, welche besser mit frisohen Gasen gefüllt wird.

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Claims

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Patentansprüche

( 1.)/Drehkolbenexplosionsmotor mit einem

Gehäuse, dessen innere Umfangswand wenigstens eine Zündkerze trägt und eine Innenfläche in Form einer Trochoide besitzt, sowie mit einem Drehkolben mit mehreren Kanten, welcher auf seinem Umfang Ausnehmungen trägt, deren Volumen zur Bestimmung des Verdichtungsgrades des Motors beiträgt, und welcher innerhalb des Gehäuses durch seine mit der Innenfläche desselben in Berührung stehende Kanten Kammern veränderlichen Volumens definiert, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umfangswand (2) des Gehäuses (1) eine Wirbelkammer (20) ausgebildet ist, welche durch eine breite Öffnung (21) mit dem Innern des Gehäuses (1) in einer solchen Zone (23) in Verbindung steht, dass beim Vorbeigang einer Kante (7, 8, 9) des Kolbens (6) an dieser Zone Gleichheit zwischen den Drücken der durch diese Kante voneinander getrennten Kammern besteht, wobei das Volumen einer jeden Ausnehmung (15) des Kolbens(6) (gegenüber einem Motor mit gleichen geometrischen Verhältnissen ohne Wirbelkammer) um einen Wert verringert istj welcher etwa gleich dem Volumen der Wirbelkammer (20) für einen gegebenen Verdichtungsgrad ist, wobei die Zündkerze (5a) oder eine Zündkerze in dieser Wirbelkammer (20) angeordnet ist.

2·) Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehkolben (6) drei Lappen aufweist.

3.) Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Wirbelkammer (20) grössenordnurigsmässig 2 $ des grossten Volumens der Kammern veränderlichen Volumens (16, 17, 18) beträgt.

4.) Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirbelkammer (20) mit dem Innern des Gehäuses (1) durch eine Öffnung '.(21) in Verbindung steht, deren Abmessungen grössenordnungsmässig die gleichen wie die der Auslassöffnung (4) sind. _v '

5.) Drehkolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangswand (2) des Gehäuses (1) zylindrisch ist, und dass die Achsen der Öffnung der

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Wirbelkammer (20) gegen die Mantellinien der Wand geneigt sind.

6.) Drehkolbenmotor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass sich der Zündpunkt in einem Winkelbereich von etwa 100° der stallungen einer von dem Drehkolben angetriebenen Motorweile (14) befindet, wobei diese Stellungen von etwa 80° vor dem oberen Totpunkt bis zu etwa 20° hinter diesem Totpunkt gehen.

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