DE2143345C3

DE2143345C3 - Parallel- und innenachsige Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Zwei-Fach-Anordnung

Info

Publication number: DE2143345C3
Application number: DE2143345A
Authority: DE
Inventors: Fritz Crewe Cheshire Feller (Grossbritannien)
Original assignee: MINISTRY OF DEFENCE LONDON
Current assignee: MINISTRY OF DEFENCE LONDON
Priority date: 1970-09-01
Filing date: 1971-08-30
Publication date: 1974-05-30
Also published as: GB1366883A; FR2107115A5; DE2143345B2; US3782337A; DE2143345A1

Description

Die Erfindung betrifft eine parallel- und innenachsige Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Zweifach-Anordnung unmittelbar nebeneinander in Parallelschaltung einer ersten, im Querschnitt wesentlich größeren Maschineneinheit als Ladeluftverdichter und einer zweiten Maschineneinheit als eigentliche Brennkraftmaschine, wobei beide durch eine gemeinsame Zwischenwand voneinander getrennten Maschinencinhcitcn je einen mit gleicher Drehzahl, aber phasenverschoben zueinander umlaufenden Kolben in Schlupfeingriff mit jeweils einem trochoidalen Mantel mit einer großen und einer kleinen Achse aufweisen, wovon die großen Achsen der Maschineneinheilen zueinander parallel verlaufen, mit im Mantel des Ladeiuftverdichters vorgesehener Einlaßsteuerbzw. AuslaßstcueröfTnung, mit in der gemeinsamen Zwischenwand befindlichem Luftübertritts- und Abgasübcrtriltskanai, und mit im Mantel der eigentlichen Brennkraftmaschine angeordneter Zündkerze und Brennstoffeinspritzvorrichtung.

Eine derartige parallel- und innenachsige Krciskolben-Brennkrafünaschine in Zweifach-Anordnung ist aus der USA.-Patentschrift 3 228 183 bekannL

Bei derartigen Kreiskolben-Brennkraftmaschinen ist die Länge und Lage des Luftübertritts- und des Abgasübertrittskanals von größter Wichtigkeit. Es ist erwünscht, das Volumen der beiden Kanäle so klein wie möglich zu halten, damit Wärmeverluste ire Abgasübertrittskanal, die das Kühlmittel aufheizen, verringert werden.

ίο Bei der bekannten Kreiskolben-Brennkraftmaschine sind die Mittelachsen der Übertrittskanälc zwischen den beiden Maschineneinheiten in Umfangsrichtung geneigt. Zwar besitzen diese Übertrittskanäle ein relativ kleines Volumen, jedoch ist ihre Länge größer als für eine Direktverbindung notwendig. Weiterhin schneiden die Übertrittskanäle die Mantel der Maschineneinheiten schiefwinkelig, so daß die Dichtleisten an den Kolbenecken über einen größeren Winkelbereich über die KanalöRnungen laufen müssen, als dies bei rechtwinkeliger Übertrittskanalanordnung erforderlich wäre. Demgemäß ergibt sich ein langsamerer Übergang von einem Arbeitszyklus zum nächsten mit der Folge eines geringen Wirkungsgrades.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kreiskolben-Brennkraftmaschine obengenannter Art zu schaffen, deren Übertrittskanäle zwischen beiden Maschineneinheiten das kleinstmögliche Volumen besitzen und der Wirkungsgrad der Verbrennung vcrbessert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer Kreiskolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Bauart dadurch gelöst, daß die kleinen Achsen und damit die beiden Maschineneinheiten parallel zueinander verschoben angeordnet sind, und daß die Achsen des Luftübertrittskanals und des Abgasübertrittskanals parallel zu den kleinen Achsen verlaufen.

Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, daß die Übertrittskanalachsen die Mantel der Maschineneinheiten unter weniger schrägen Winkeln schneiden, so daß die Dichtleisten an den Kolbenecken über einen geringeren Winkelbctrag über die Öffnungen streichen und ein schnellerer Übergang von einem Teil des Arbeitszyklus auf den nächsten gewährleistet ist.

Der geringeren Länge des Abgasübertrittskanals weucn wird weniger Wärme an das Kühlmittel abgegeben, was ein vereinfachtes Kühlsystem und einen besseren thermischen Wirkungsgrad zur Folge hat. Es hat sich gezeigt, daß sich eine baulich günstige Maschinenanordnung mit hohem Wirkungsgrad ergibt, wenn die Ebene durch die Gehäuscmiltelachse beider Maschinenarten, die die kleinen Achsen enthaltenden Ebenen unter einem Winkel bis zu etwa K) . insbesondere unter einem Winkel von etwa 5ⁿ schneidet.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes an Hand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Krciskolben-Brennkraftmaschine und

Fig. 2 bis 5 die Arbeitsweise der Maschine nach Fig.1.

Zunächst wird auf F i g. 1 der Zeichnung Bezug genommen. Die hierin dargestellte Krciskolben-Brennkraftmasehinc weist zwei Kolben 10 und Il auf, die auf getrennten exzentrischen Wellen 12, 13 gelagert

sind. Die Wellen 12, 13 sind so angeordnet, daß sie um 180 außer Phase laufen und zwar mit der gleichen Drehzahl und diese Synchronisation wird durch ein nicht dargestelltes Getriebe erreicht, daß von Zahnrädern und mehreren Verbindungsstangen gebildet werden kann, die auf Exzentern über Ketten geführt sind oder es kann jedes andere geeignete Getriebe Verwendung finden.

Die Kolben 10, 11 drehen sich exzentrisch in den Hohlräumen 14, 15, die in einem stationären Gehäuse 9 gebildet sind. Die Kniben werden um 180 außer Phase miteinander in Richtung der Pfeile 8 gedreht. Die kleinen Achsen 50, 51 der Hohlräume 14 und 15 sind versetzt und parallel zueinander. Die Ebene 52, die durch die Gehäusemittelachsen 53 und 54 geht, schneidet die kleinen Achsen 50 und 51 unter einem Winkel von etwa 5

Die Kolben 10, 11 weisen Umfangsoberflächen auf. die drei im Abstand zueinander angeordnete Ecken 10« bzw. 11« aufweisen, die symmetrisch bezüglich der Achse der Kolben 10, 11 ans-i-ordnet sind."Die licken U)a. Ua besitzen Dichtungsränder Wb, Hb. die parallel zu den Wellen 12, 13 verlaufen und ständ'g in DichtungseingriiT mit den Innenwandungen der Hohlräume 14, 15 stehen. Die Innenwandungen der Hohlräume 14. 15 weisen zwei im Abstand zueinander liegende Bogenabschnitte 14a, 15a auf, die aufeinanderfolgend miteinander verbunden sind und an ihren Verbindungspunkten 21, 22 bzw. 16. 17 einen minimalen Abstand von den Wellen 12, 13 aufweisen. Demgemäß ist die Kontur der Innenwandung ucr Hohlräume 14, 15 im wesentlichen die eines zweiblättrigen Epitrochoides. Die Umfangsfläche der Kolben 10, 11 sind im wesentlichen jene einer drciblättrigen Einhüllenden des /weiblättrigen Epitrochoids.

Der Kolben 11, der größer ist als der Kolben 10 und in Dichtungseingriff mit der Innenwandung des Hohlraumes 15 an den Punkten 16, 17 steht, definiert mit seinem Hohlraum 15 entweder vier oder fünf Arbeilskammcrn A, ß, C, D, E je nach der Stellung des Kolbens 11. Diese Arbeitskammern können, falls erforderlich, gegeneinander in bekannter Weise durch nicht dargestellte Dichtungsstreifen abgedichtet sein, die jeweils an den drei Ecken 11a des Kolbens 11 vorgesehen sind. Außerdem können die Stirnwände des Kolbens 11 mit weiteren Dichtungsstreifen (nicht dargestellt) versehen sein, die mit den Diclitleistcn an den Ecken 11« des Kolbens 11 verbunden sind.

Der Kolben 10, der kleiner als der Kolben 11 ist, weist Ausnehmungen 18, 19, 20 auf, die am Umfang des Kolbens 10 und im Umfangsabstand an diesem vorgesehen sind. Der Kolben 10 bildet mit seinen Ausnehmungen 18, 19, 20 und dem Hohlraum 14 drei Arbeitskammern F, G, H. Die Arbeitskammern F. G, H können gegeneinander in bekannter Weise ähnlich wie die Arbeitskammern /f, /i, C, D, E abgedichtet sein.

Luft kann durch eine Einlaßöffnung 23 in den T.adeluftverdichter gelangen. Die Abgase verlassen den Ladeluftverdichter durch die AustrittsöfTiumg 24. Ein Luftübcrtrittskanal 25 läßt eine Luftströmung von dem Hohlraum 15 nach dem Hohlraum 14 zu, während ein Abgasübertrittskanal 26 die Verbrcnimngspnse von dem Hohlraum 14 nach dem Hohlraum 15 gelangen läßt.

Ein BrcnnstofTinjcktor 27 ist an einer Stelle 29 in der den Hohlraum 14 umgebenden Wandung gegenüber der Stelle, wo die Übertrittskanäle 25 und 26 befindlich sind, angeordnet. Der Brennstoffinjektor 27 führt der Arbeitskammer G Brennstoff zu. Ein weiterer Brennstoff injektor kann in der Nähe des Brennstoffinjektors 27 angeordnet werden. Der Brennstoff kann durch eine benachbart zum Injektor 27 angeordnete Zündkerze gezündet werden. Vorzugsweise liegt diese — in Drehrichtung gesehen — hinter dem Injektor 27. Bei zwei Injektoren können

ίο auch zwei Zündkerzen vorgesehen sein.

Derartige Einrichtungen mit äußerer Zündung, wie Zündkerzen, brauchen jedoch nicht in allen Fällen vorgesehen zu werden; es ist also auch möglich, den Motoi als Dieselmotor arbeiten zu lassen. Die verschiedenen Arbeitskammern A bis H ändern sich sowohl hinsichtlich des Volumens als auch hinsichtlich der Lage während der Drehung der Kolben 10, 11, so daß ein Arbeitszyklus bewirkt wird, in dem die in die Hohlräume 14, 15 eintretende Luft komprimiert wird und die darin enthaltenen Gase nach stattgefundener Verbrennung expandiert werden.

Der Arbeitszyklus ergibt sich am deutlichsten aus der Betrachtung der F i g. 2 bis 5. Wie sich aus den Bezugszeichen Γ, 2', 3', 4' ergibt, steigt das Volumen der mit der Einlaßöffnung 23 verbundenen Arbeitskammer sukz-^sive an, wenn die Läufer 10, 11 sich in R'chtungder Pfeile 8 (Y ig. 1) drehen. So wird ein Ansaughub erzeugt, indem die Luft durch die Einlaßöffnung 23 angesaugt wird.

Die durch die Einlaßöffnung 23 angesaugte Luft wird zunächst einer Niederdruckverdichtung unterworfen, die durch die Bezugszeichen 5' bis 7' gekennzeichnet ist. Danach erfolgt eine Hochdruckverdichtung (durch das Bezugszeichen 8' gekennzeichnet). Während der Niederdruckverdichtung wird ein Teil der innerhalb des Hohlraumes 15 befindlichen Luft komprimiert, während ein Teil davon im Hohlraum 14 befindlich ist. Am Ende der Niederdruckverdichtungsstufe wird die gesamte Luft innerhalb des Hohlraumes 14 verdichtet.

Die Verbrennung findet statt, wenn die Luft auf das Volumen 9' (F i g. 5) komprimiert ist.

Danach findet eine zweistufige Expansion statt. Die Hochdruckstufe ist durch die Bezugszeichen 10', II' gekennzeichnet und die Niederdruckstufe durch die Bezugszeichen 12', 13'. Die Hochdruckexpansion 10', 1Γ erfolgt im wesentlichen vollständig innerhalb des Hohlraumes 14, während die Niederdruckexpansion die durch die Bezugszeichen 12', 13' gekennzeichnet ist, teilweise innerhalb des Hohlraumes 14 und teil weise innerhalb des Hohlraumes 15 erfolgt.

Der Auspuff wird durch die Rezugszcichen 14' bis 17' charakterisiert.
Die Verbindung über den Luftübertrittskanal 25 wird zwischen den Arbeitskammern B und F hergestellt, wenn die Arbeitskammer B etwa ihr maximales Volumen und die Arbeitskammer F etwa ihr minimales Volumen hat Die Verbindung wird unterbrochen, wenn Jie Arbeitskammer B etwa ihr minimales Volumen und die Arbeitskammer F etwa ihr maximales Volumen besitzt.

In gleicher Weise wird die Verbindung über den Abgasübertrittskanal 26 zwischen den Arbeitskammern H. D hergestellt, wenn die Arbeitskammer Il etwa ihr maximales Volumen und die Arbeitskammer D gleichzeitig etwa ihr minimales Volumen besitzt. Die Verbindung wird unterbrochen, wenn die Kammer H ihr minimales Volumen erreicht hat und

die Kammer D gleichzeitig ihr maximales Volumen.

Der Motor besitzt folgende Öffnungszeitgebung:

Der Luftübertrittskanal 25 öffnet niederdruckseitig 306° vor Totpunkt »Niederdruck«.

Der Luftübertrittskanal 25 schließt hochdruckseitig 17Γ¹ vor dem Totpunkt »Hochdruck«.

Der Abgasübcrtrittskanal 26 öfTnet hochdruckseitig 2()3^r nach dem Totpunkt »Hochdruck«.

Der Abgasübcrtrittskanal 26 schließt niederdruckscilig 330° nach dem Totpunkt »Hochdruck«.

Die Ί olpunktstellung bei einer Kreiskolbenmaschine ist erreicht, wenn eine Ecke des Kolbens vertikal nach unten weist und wenn die Exzentrizität der betreffenden Exzenterwelle in der obersten Stellung befindlich ist. Die Winkel, auf die Bezug genommen wird, sind Exzcntcrwcllcnwinkel.

Die Ränder der Öffnungen sind mit AA. BB, CC, DD, EE, FF, GG, HH, II, JJ, KK und LL bezeichnet.

Weitere Einzelheiten der Öffnungs- bzw. Schließzeilen sind die folgenden:

Αλ. 219" vor Totpunkt »Niederdruck«

Die Einlaßöffnung 23 beginnt sich bei dem maximalen summierten Einlaßvolumen zu schließen, d. h. wenn das Gesamtvolumen von Niederdruck- und Hochdruckkammern, die eine neue Ladung empfangen, das Maximum ist. Die Bewegungsgröße, die der Ladung innewohnt, verhindert eine Rückstriimung, bevor der Rand BB durch die Kolbenecke erreicht ist. Die Funktion ist die gleiche wie bei einem Einlaßventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine.
BB: 180° vor Totpunkt »Niederdruck«

Die Einlaßöffnung 23 schließt. Diese Stellung wird durch die Größe und Gestalt der Öffnung bestimmt. CC: 306° vor Totpunkt »Niederdruck«

Der Luftübertrittskanal 25 öffnet niederdruckseitig, bevor das maximale Niederdruckvolumen erreicht ist, um eine Hochdruckfüllung zu ermöglichen, jedoch so spät als möglich, um das tote Verlustvolumen im Niederdruck zu reduzieren, wenn die Gasübertragung vollendet ist. Der Punkt liegt auch so spät, daß eine Überströmung vom Abgasübertrittskanal 26 verhindert wird.

DD: 274° vor Totpunkt »Niederdruck«

Der Luftübertrittskanal 25 schließt niederdruckseitig. Diese Lage hängt von der Gestalt und Größe der Öffnung ab.

EE: 213° vor Totpunkt »Hochdruck«

Der Luftübertrittskanal 25 beginnt hochdruckseitig zu schließen- Diese Lage wird durch FF bestimmt und hängt von der Öffnungsgröße und Gestalt ab.
FF: 171° vor Totpunkt »Hochdruck«

Der Luftübertrittskanal 25 schließt hochdruckseitig, bevor der Abgasübertrittskanal 26 sich öffnet.

um eine Verunreinigung der übertragenen Ladung zu verhindern und um Zeit zur Spülung zu schaffen. Der Druck der verbleibenden Ladung in der Niederdruckkammer bei oberer Totpunktstellung trägt dazu bei, die Abgasübertragung zu verhindern.

GG: 203 nach Totpunkt »Hochdruck«
Der Abgasübertrittskanal 26 öffnet so spät als möglich, um die prozentualen Verluste im Abgasübcrtrittskanal 26 zu verhindern und die Öffnung zu ίο verzögern, bis FF geschlossen ist. Dieser Punkt sollte mit dem minimalen Niederdruckvolumen zusammenfallen, wobei eine kurze AbgasübcrlrasungslciUmg angestrebt werden soll.

HH: 238 nach Totpunkt »Hochdruck«
Der Abgasübertrittskanal 26 schließt hochdruckseitig.

//: 303 nach Totpunkt »Niederdruck«
Der Abgasübertrittskanal 26 niederdruckseitig beginnt sich zu öffnen.
77:330 nach Totpunkt »Niederdruck«

Der Abgasübertrittskanal 26 wird niederdruckseitig geöffnet, wenn das summierte Volumen das dem Abgasübertrittskanal 26 anliegt, ein Minimum ist. Das sich vergrößernde Niederdruckvolumen ergibt eine gule anfängliche Hochdruckabgasspülung, bevor die nächste Sekundärspülstufe auftritt. Der Punkt muß auch so gewählt werden, daß ein kurzer Abgasübertrittskanal 26 erhalten wird.

KK: 195' nach Totpunkt »Niederdruck«
Die Austrittsöffnung 24 öffnet sich 50° vor Erreichen des maximalen summierten Expansionsvolumens. Dieses frühzeitige Öffnen ergibt eine Anpassung an die Zeit, die erforderlich ist für die Gasbeschleunigung, um ein Ausstoßen zu ermöglichen, wie dies bei herkömmlichen Hubkolbenmaschinen der Fall ist.

LL: 255° nach Totpunkt »Niederdruck«
Die Austrittsöffnung 24 öffnet sich voll.
Diese obenangegebenen Winkel sind jedoch für die Erfindung nicht zwingend und können geändert werden. Eine Änderung ist bis zu ±25° möglich.

Dadurch, daß die Kolben außer Phase laufen und insbesondere um 180' außer Phase befindlich sind, wird die Möglichkeit geschaffen, daß die Ubertrittskanäle 25 und 26 eine bessere Lage in bezug auf die Motorzcitgcbung besitzen und es können dadurch auch Leitungen mit kürzerer Leitungslängc und demgemäß geringerem Volumen benutzt werden. Außerdem kann durch die Gestalt der Öffnungen der Übertrittskanäle der Wirkungsgrad verbessert werden.

Indem die kleinen Achsen 50, 51 der Gehaust nicht in einer Linie angeordnet sind, wird die Anord nung der Übertrittskanäle 25, 26 verbessert im Hin blick auf ihre Zeitcharakteristik.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Parallel- und innenachsige Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Zweifach-Anordnung unmittelbar nebeneinander in Parallelschaltung einer ersten, im Querschnitt wesentlich größeren Maschineneinheit als Ladeluftverdichter und einer zweiten Maschineneinheit als eigentliche Brennkraftmaschine, wobei beide durch eine gemeinsame Zwischenwand voneinander getrennten Maschineneinheiten je einen mit gleicher Drehzahl, aber phasenverschoben zueinander umlaufenden Kolben in Schlupfeingriff mit jeweils einem trochoidalen Mantel mit einer großen und einer kleinen Achse aufweisen, wovon die großen Achsen der Maschineneinheiter. zueinander parallel verlaufen, mit im Mantel des Ladeluftverdichters vorgesehener Einlaßsteuer- bzw. Auslaßsteueröffnung, mit in der gemeinsamen Zwischenwand befindlichem Luftübertritts- und Abgasübertrittskanal, und mit im Mantel der eigentlichen Brennkraftmaschine angeordneter Zündkerze und Brennstoffeinspritzvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinen Achsen (50, 51) und damit die beiden Maschineneinheiten parallel zueinander verschoben angeordnet sind, und daß die Achsen des Luftübertrittskanals (25) und des Abgasübertrittskanals (26) parallel zu den kleinen Achsen (50, 51) laufen.

2. Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Zweifach-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene (52) durch die Gehäusemittelachsen (53, 54) beider Maschinenarten die die kleinen Achsen (50, 51) enthaltenden Ebenen unter einem Winkel bis zu etwa 10° schneidet.

3. Kreiskolben-Brennkraftmaschine in Zweifaeh-Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene (52) durch die Gehäusemittelachsen (53, 54) beider Maschinenarten die die kleinen Achsen (50, 51) enthaltenden Ebenen unter einem Winkel von etwa 5° schneidet.