DE2225025A1 - Rotations-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

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ί BO ' i7oMai 1972

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General Motors Corporation, Detroit, Mich», V₀St₀A.

Rotations—Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Rotations-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse für einen in ihm drehbaren Kolben mit mehreren Umfangsflachen, der auf einem Exzenter einer Ausgangswelle drehbar gelagert ist und über einen Planetentrieb die Ausgangswelle mit einer im festen Verhältnis zu seiner Drehzahl stehenden Drehzahl antreibt, wobei die Umfangsf lachen mit der Innenwand des Gehäuses mehrere Arbeitsräume begrenzen, deren Volumen sich während des Umlaufs des Kolbens ändern, und mit in dem Gehäuse vorgesehenen Ein- und Auslasskanälen zu den Arbeitsräumen«

Zur Verringerung der Bildung von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden durch unvollkommene Verbrennung ist bei Tauchkolben-Brennkraftmaschinen bekannt, das Gesamtvolumen der Brennkammer in einen grossen und einen kleinen Bereich aufzuteilen. Die Brennstoffzufuhr erfolgt hierbei in den Teil grösseren Volumens, in dem die Zündung vorgenommen wird. Dieses anfänglich gezündete Gemisch ist angereichert, so dass die Brenntemperatur begrenzt ist

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und eine geringe Bildung von Stickoxid eintritt„ Die Verbrennungsprodukte dieser unvollkommenen Verbrennung des Brennstoffs kommen dann mit der Frischluft in dem anderen ^'eil der Brennkammer in Berührung, in der die Verbrennung beendet wird, wobei die unerwünschten Bestandteile der Abgase verringert werden_o

Der B_rfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Führung der Verbrennung bei Rotations—Brennkraftmaschinen der eingangs erwähnten Art durchzuführen₀

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch, gelöst, dass jede Umfangsfläche des Rotationskolbens so ausgestaltet ist, dass sie zusammen mit der Innenwand des Gehäuses jeden Arbeitsraum in eine vorlaufende Kammer und eine nachlaufende Kammer so unterteilt, dass bei kleinstem Volumen des Arbeitsraumes zwischen seinen Kammern ein gedrosselter Gasstrom erfolgt, während mit abnehmenden Volumen der nachlaufenden Kammer der Gasstrom zwischen den Kammern verhältnismässig ungedrosselt gestattet wird, und dass eine Brennstoffeinspritzanlage so angeordnet ist, dass sie Brennstoff in die nachlaufende Kammer eines Arbeitsraumes während des gedrosselten Gasstroms zwischen dessen beiden Kammern einspritzt, und eine Zündanlage so angeordnet ist, dass sie das gebildete Brennstoffluftgemisch in der nachlaufenden Kammer zündet, während der gedrosselte Gasstrom zwischen den beiden Kammern besteht, so dass die Verbrennung in der nachlaufenden Kammer eingeleitet wird, die sich bei ungedrosselt werdendem Gasstrom zwischen den Kammern in die vorlaufende Kammer ausbreitete

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Hach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, dass die U_mfangsfläche des Kolbens so ausgebildet ist, dass bei kleinstem Volumen des Arbeitsraumes das Volumen der vorlaufenden Kammer zu dem der nachlaufenden Kammer verhältnismässig klein ist©

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorge« sehen, dass die beiden Kammern in jedem Arbeitsraum durch Aus-» sparungen in den Umfangsflachen des Kolbens gebildet sind, die durch einen Steg voneinander getrennt sind, der mit den Schein telpunkten der Gehäusewandung zusammenarbeitend den unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitt zwischen den beiden Kammern bestimmte

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigen

Pig. 1 einen senkrechten Schnitt durch eine Eo-

.tations-Brennkraftmaschine nach der Erfindung,

Figo 2 einen vergrösserten Ausschnitt des Rotationskolbens der Rotations-Brennkraftmaschine gemäss Hg.1, und

Figo 3 bis 6 der Figo 1 entsprechende Ausschnit— tein noch grösserem Masstabe in verschiedenen Betriebszuständen der Rotations—Brennkraftmaschine ₀

Die in Fig. 1 dargestellte Rotations-Brennkraftmaschine hat ein Gehäuse 10 mit einem Hohlraum 11, der durch eine in Umfangsrichtung verlaufende Innenwand 12 und zwei

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axialen Abstand voneinander aufweisende Seitenwände 14 begrenzt ist·

Die Innenwand 12 hat die form einer zweiflügeligen Epitrochoide, deren Achse» 16 im Schnittpunkt der kleinen Achse 18 und der grossen Achse 19 der Epitrochoide koaxial zur Achse einer Auegangewelle 20 liegt, die sich durch den Hohlraum 11 erstreckt und in den S_eitenwänden 14 des Gehäuses 10 drehbar gelagert ist.

Die Ausgangswelle 20 trägt innerhalb des Hohl« raumes 11 einen Exzenter 21, auf dem drehbar um die Achse 24 ein Rotationskolben 22 gelagert ist· Die Achse 24 ist zur Achse 16 der Ausgangswelle 20 versetzt.

Der Rotationskolben 22 hat im wesentlichen dreieckige Gestalt, wobei seine Umfangsflachen 26 , die der Umfangewand 12 zugewandt sind, konvex ausgebildet sind und mit dieser drei Arbeitsräume 28 mit während des Umlaufs veränderlichem Volumen begrenzen« An jeder Ecke des Rotationskolben 22 ist eine Dichtung 29 gebildet, während zwischen hebachbarten Ecken Seitemdichtungen 30 gegen die Seitenwände 14 anliegend vorgesehen sind. Auf diese Weise werden die einzelnen Arbeitsräume 28 gegeneinander abgedichtet«

Bei einem Umlauf des Rotationskolbens 22 mit ein Drittel der Drehzahl der Ausgangswelle 20 ergeben sich durch das Zusammenspiel des Rotationskolbens mit der Umfangswand 12 des Gehäuses vier Arbeitstakte in fester Beziehung zum Gehäuse 10, nämlich Einlassen, Verdichten, Expansion und Auslass«

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Das Umlaufen des Rotationskorbens 22 mit ein Drittel der Drehzahl der Ausgangswelle wird durch ein Rädergetriefte bewirkt, das aus einem innenverzahnten Ringrad 31 "besteht, das konzentrisch zur Achse 24 des Rotationskorbens 22 mit diesem verbunden ist und mit einem aussen verzahnten Zahnrad 32 kämmt, das konzentrisch zur Achse 16 mit dem Gehäuse 10 verbunden ist·

Das Ringrad 31 hat 1,5-mal soviel Zähne wie das Zahnrad 32, so dass das gewünschte Übersetzungsverhältnis von 3:1 zwischen der Ausgangswelle 20 und dem Rotationskolben 22 erzielt wird* Jedem Arbeitsraum 28 kann über einen Einlasskanal 34 luft zugeleitet werden, der eich durch das Gehäuse erstreckt und in den Hohlraum 11 auf der einen S_eite nahe der kleinen Achse 18 auf der einen Seite der grossen Achse 19 der Epitrochoide mündet· Die Abgase werden aus jedem Arbeitsraum 28 über einen Auslasskanal 36 abgeleitet, der sich durch das Gehäuse 10 erstreckt und in den Hohlraum 11 auf der gleichen Seite der grossen Achse 19 wie der Einlasskanal 34, jedoch auf der anderen Seite nahe der kleinen Achse 18 mündet, wie dies Hg. 1 zeigt.

Die bisher beschriebene Bauart entspricht dem üblichen Aufbau derartiger Rotations-Brennkraftmschinen, bei denen die Umfangsflächeides Kolbens im wesentlichen konstanten Radius aufweisen und eine einzige Aussparung enthalten, so daß die Arbeitsräume im Verbrennungstakt nicht unterteilt sind· Bei normalen Maschinen dieser Bauart ergeben sich drei Arbeitsräume, in denen nacheinander die vier Takte ablaufen, wobei

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ein Leistung abgebender Takt bei jedem Umlauf der Ausgangswelle der Maschine eintritt. Bei bekannten gemischversorgten Maschinen wird bei in Richtung des Pfeiles in Fig_e1 umlaufenden Rotationskolben 22 durch den Einlasskanal 34 Gemisch angesaugt, worauf durch die nachlaufende Dichtung 29 dieses Arbeitsraumes der Einlasskanal 34 abgesperrt wird. Das angesaugte Gemisch wird in dem Arbeitsraum dann verdichtet und gezündet, wenn der Kolben sieh dem oberen !Totpunkt nähert oder diesen erreioht. Die Umfangewand nimmt die Rekationskräfte auf und ermöglicht den weiteren Umlauf des Rotationskolbens während des Ausdehnen» der Brenngase» Die vorlaufende Dichtung 29 des Arbeitsraumes überläuft den Auslasskanal 36, so dass die Brenngase ins freie abgeleitet werden, um den Arbeitaayklus zu beenden· Es ist auch bekannt, anstelle von Gemisch lediglich Luft anzusaugen, danach Brennstoff in der Nähe des oberen Totpunktes des Rotationskolbens einzuspritzen und das gebildete Gemisch zu zünden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten erfindungsgemässen Ausgestaltung verläuft jede Umfangsflache 26 des Kolbens 22 nicht nach einem Kreis mit dem Radius 39 um den Mittelpunkt 38, wie dies bei üblichen Rotations—Brennkraftmaschinen der Fall ist, sondern enthält zwei Aussparungen 40 und 41, die durch einen Steg 42 voneinander getrennt sind. Die Aussparungen und der Steg erstrecken sich von der einen Seite des Rotationskolbens zur anderen, wobei die Fläche 43 des Steges 42 entsprechend dem Radius 39 gekrümmt ist, während die Aussparungen 40 und 41 einen kleuneren und veränderlichen Radius aufweisen» Die Aussparung 40 bildet bei der durch den Pfeil in Fig. 1 angegebenen

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Drehrichtung des Rotationskolben eine vorlaufende Kammer, während die Aussparung 41 eine nachlaufende Kammer bildet*

Im Ausführungsbeispiel hat die Aussparung 40 eine verhältnismässig konstante Tiefe, während die Tiefe der Aussparung 41 von dem Steg 42 ausgehend fortschreitend ansteigt und auf der der nachlaufenden Dichtung 29 zugewandten Seite plötzlich abnimmt· Obwohl die beiden Aussparungen 40 und 41 in Umfangsrichtung etwa gleiche Länge aufweisen, ist das Volumen der Aussparung 41 wesentlich grosser als das der Aussparung 40· Bei kleinstem Volumen des Arbeitsraumes ergibt sich damit für die durch die Aussparung 40 bestimmte vorlaufebde Kammer ein wesentlich kleineres Volumen als für die Äurch die Aussparung 41 bestimmte nachlaufende Kammer«

Wie die Fig. 1 und 3 bis 6 zeigen, wird der Brennstoff der Rotations-Brennkraftmäschine durch eine Brennstoff·* einspritzanlage 44 über eine Einspritzdüse 45 zugeleitet, die in das Gehäuse 10 auf der gleichen Seite der kleinen Achse 18 wie der Einlasskanal 34» jedoch auf der entgegengesetzten Seite der grossen Achse 19 angeordnet ist* Ss wird hierdurch Brennstoff in die nachlaufende Kammer 41 jedes Arbeitsraumes 28 eingespritzt, wenn sich diese dem oberen Totpunkt nähert, so dass ein Brennstoff-Luftgemisch gebildet wird. Die Rotations-Brennkraftmaschine hat auch eine Zündanlage 46 mit einer Zündkerze 47, die in das Gehäuse 10 zwischen der Einspritzdüse 45 und der kleinen Achse 18 angeordnet ist, so dass sie bei Annäherung der nachlaufenden Kammer 41 an die obere Totpunktlage mit dieser in Verbindung steht,

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Arbeitsweise

Die Fig· 3 bis 6 veranschaulichen die Betriebsverhältnisse während des Überlaufs des oberen Totpunktes» Zu der in Fig. 3 dargestellten Zeit .hat der Roatationskolben 22 eine Verdichtung bewirkt, wobei zwischen der vorlaufenden Kammer 40 eine durch den Pfeil angedeutete Verbindung mit der nachlaufenden Kammer 41 im Bereich des Scheitelpunktes 48 der kleinen Achse 18 im Bereich des brennkammerseitigen Teils der Umfangswand 12 besteht. Diese Verbindung gestattet nur einen geringen Druckabfall, wenn die Luft in Richtung des Pfeiles hindurchströmt, bis die Fläche 43 des Steges 42 den Scheitelpunkt 48 erreicht und die beiden Kammern 40 und 41 voneinander trennt, wie dies in Fig« 4 dargestellt ist· Die Brennstoffein-Spritzanlage 44 ist zeitlich so abgestimmt, dass die Einspritzdüse 45 Brennstoff in die nachlaufende Kammer 41 des Arbeitsraumes 28 einspritzt, wenn sich der Kolben aus der Lage gemäßs .Fig· 3 in die gemäss Fig. 4 dreht· Hierdurch ist ausreichend Zeit zur Bildung eines Brennstoff-Luftgemischs gegeben, wobei die Einspritzung so vorgenommen wird, dass der Brennstoff den Scheitelpunkt 48 nicht vor der Fläche 43 des Steges erreicht. Auf diese Weise ist der Eintritt von Brennstoff in die vorlaufende Kammer 40 verhindert. Beim weiteren Drehen des Rotationskolbens wird die obere Totpunktlage gemäss Fig· 5 erreicht, und die Zündanlage 46 ist zeitlich so abgestimmt, dass die Zündkerze 47 das Brennstoff-Luftgemisch in der nachlaufenden Kammer zwischen den Stellungen des Kolbens gemäss Fig. 4 und 5 zündet, so dass in der nachlaufenden Kammer 41 die Verbrennung nahe

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dem Steg 42 endet, bevor der Kolben die Lage gemäss fig·6 erreicht, in der die nachlaufende Kammer 41 im Bereich des Scheitelpunktes 48 mit der vorlaufenden Kammer 40 wieder verbunden wird· Sie Brenngase treten dann in die in der Kammer 40 befindlich· Itischluft ein, wo die Verbrennung der Anverbrannten Bestandteile vollendet wird· Es kann erwünscht sein, jeden Arbeitsraum 28 in zwei Kammern 40 und 41 im Verhältnis 65:35 # aufzuteilen, wie dies bei Tauchkolbenmaschinen üblich ist· Sie vorlaufende Kammer 40 enthält somit ein Srittel und die grössere nachlaufende Kammer 41 zwei Srittel des gesamten Volumens des Arbeitsraumes, wenn dieses seinen Kleinstwert aufweist.

Sie erfindungsgemässe Rotations-Brennkraftmaschine arbeitet also so, dass während des Verdichtungshubes bei fortschreitender Verringerung des Volumens des Arbeitsraumes

die beiden Kammern 40 und 41 zunächst in ungedrosselter Verbindung miteinander stehen und gegen Snde des Verdichtungshubes die gedrosselte Verbindung zwischen den Kammern durch das Zusammenspiel des Steges 42 des Kolbens und des Scheitelounktes 48 der ^üehäusewandung eintritt, so dass während der zu dieser ^eit erfolgenden Brennstoffeinspritzung und der anfänglichen Verbrennung der Übertritt von Brennstoff bzw« Brenngasen in die vorlaufende Kammer 40 unterbunden ist· Sie nachlaufende Kammer 41 dient dls Vorverbrennungskammer, in die der Brennstoff eingespritzt wird und das Gemisch gezündet wird, wobei etwa zwei Srittel der Brennluft zur Verfügung steht·

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Die erfindungsgemässe Ausbildung kann leicht bei vorhandenen Rotations-BrennkraftmascMnen vorgenommen werden, bei denen das Gesamtvolumen des Arbeitsraumes seine normale Grosse behält und das übliche Verdichtungsverhältnis von etwa 9:1 aufrechterhalten bleibt· Das Verhältnis der beiden Kammern 40 und 41 zueinander kann unterschiedlich gewählt und auf den jeweils verwendeten besonderen Brennstoff abgestimmt werden, um einen geringstmöglichen Anteil an Kohlenmonoxid, unvollständig verbrannten Kohlenwasserstoffen und Stiokoxiden in den Abgasen zu erhalten.

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Rotations-Brennkraftmasehine mit einem Gehäuse für einen in ihm drehbaren Kolben mit mehreren Umfangsflachen, der auf einem Exzenter einer Ausgangswelle drehbar gelagert ist und über einen Planetentrieb die Ausgangswelle mit einer im festen Verhältnis zu seiner Drehzahl stehenden Drehzahl antreibt,

wobei die Umfangsflächen mit der Innenwand des Gehäuses mehrere Arbeitsräume begrenzen, deren Volumen sich während des Umlaufs des Kolbens ändern, und git in dem Gehäuse vorgesehenen Ein- und Auslasskanälen zu den Arbeitsräumen, dadurch ge» kennzeichnet, dass jede Umfangsflache (26) des Rotationskolbens (22) so ausgestaltet ist ( 40,41,42,43)» dass sie zusammen mit der Innenwand (12) des Gehäuses (10) jeden Arbeitsraum (28) in eine vorlaufende Kammer (40) und eine nachlaufende Kammer (41). so unterteilt, dass bei kleinstem Volumen des Arbeitsraumes zwischen seinen Kammern ein gedrosselter Gasstrom erfolgt, während mit abnehmenden Volumen der nachlaufenden Kammer (41) der Gasstrom zwischen den Kammern verhältnismässig ungedrosselt gestattet wird, und dass eine Brennstoffeinspritzanlage (44,45) so angeordnet ist, dass aeie Brennstoff in die nachlaufende Kammer (41) eines Arbeitsraumes (28) während des gedrosselten Gasstroms zwischen dessen beiden Kammern einspritzt, und eine Zündanlage (46,47) so angeordnet ist, dass sie das gebildete Bremnstoff-luftgemiseh in der nachlaufenden Kammer zündet, während der gedrosselte Gasstrom zwischen den beiden Kammern besteht, so dass die Verbrennung in der nach-

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laufenden Kammer eingeleitet wird, die sich bei ungedrosselt werdendem Gasstrom zwischen den Kammern in die Torlaufende Kammer (40) auebreitet.

2· Rotations-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsflache (26) des Rotationskolbens (22) so ausgebildet ist, dass bei kleinstem Volumen des Arbeitsraumes (28) das Volumen der vollaufenden Kammer (40) zu dem der nachlaufenden Kammer (4I) verhältnismässig klein ist»

3e Rotations-Brennktaftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kammern (40 und 41) in jedem Arbeitsraum (28) durch Aussparungen in der Umfangsfläche (26) des Kolbens gebildet sind, die durch einen Steg (42) voneinander getrennt sind, der mit den Scheitelpunkten (48) der Gehäusewand (12) zusammenarbeitend den unterschiedlichen Durchtrittsquerschnitt zwischen den beiden Kammern (40 und 41) bestimmt«

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