DE2232592B2 - Lade- und abgas-rotationskolbenmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen.

Eine derartige Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine ist aus der US-PS 34 05 692 bekannt.

Die bekannte Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine weist einen in einer einbogigen Mantellaufbahn umlaufenden zweieckigen Kolben auf, der auf einem Exzenter umläuft, der auf der Welle der aufzuladenden Brennkraftmaschine angeordnet ist oder dessen Welle mit der der Brennkraftmaschine kraftschlüssig mit einem Drehzahlverhältnis 1 :1 verbunden ist.

Letztere ist ebenfalls eine Trochoidenmaschine, jedoch mit zweibogiger Mantellaufbahn und dreieckigem Kolben. Der Kolben der Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine wird demnach unmittelbar vom Kolben der Brennkraftmaschine angetrieben. Die als Ladeteil arbeitende Kammer der Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine saugt ihre Ladung über die Einlaßöffnung der Brennkraftmaschine und über einen Überschubkanal zu Beginn des Ansaugtaktes der Brennkraftmaschine an und überschiebt die verdichtete Ladung zu Beginn von deren Verdichtungstakt. Die als Antriebsteil arbeitende Kammer der Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine wird dabei von den Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt, um in dieser Kammer die Nachexpansion der Abgase für die Verdichtungsarbeit auszunutzen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine eine abgasangetriebene Ladevorrichtung zu schaffen, die insbesondere in den unteren Drehzahlbereichen und Lastzuständen eine optimale Aufladung sicherstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Ladeeinheit und Abgasmaschineneinheit gesonderte im gleichen Verhältnis übersetzte außenachsige Drehkolbenmaschinen mit ruhender Arbeitswandung sind und beide Einheiten durch zwei von der Brennkraftmaschine unabhängige Wellen miteinander verbunden sind.

Dabei kann die Abgasmaschineneinheit bevorzugt zwei gleiche Kolben mit je zwei achsfernen Bereichen und je zwei achsnahen Bereichen aufweisen.

Es ist eine Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine bekannt (US-PS 20 58 817), bei der auf gleichen

ίο Wellen drei außenachsige Rotationskolbenmaschinen angeordnet sind, bei denen jeweils die Kolben mit Absperrflügeln ineinandergreifen und dabei Arbeitsräume bilden. Die erste Maschine arbeitet als Lader, die zweite als Brennkraftmaschine und die dritte als weitere Brenn- bzw. Abgasmaschine, wobei die Ladung der ersten in die zweite und die brennenden Abgase der zweiten in die dritte Maschine überschoben werden, die deren Expansion ausnützt und damit Antriebsleistung für die erste Maschine liefert. Abgesehen davon, daß die Abgasmaschine wegen der Form dieses Absperrflügels aus thermischen Gründen wenig geeignet ist und in ihrer Totpunktstellung nicht selbständig anlaufen kann, haben solche zwangsgesteuerten Abgasmaschinen den entscheidenden Nachteil, daß sie nicht auf die Lastzustände des Motors abgestimmt sind, da sie immer mit dessen Drehzahl laufen müssen. Sie können demnach die Abgasenergien nicht voll ausnutzen.

Zwischen Einlaß- und Auslaßkanälen der Brennkraftmaschine kann als weitere Ausgestaltung eine mit einem Regelorgan versehene Verbindungsleitung angeordnet sein, wobei die Mündung der Verbindungsleitung düsenförmig stromabwärts in den Auslaßkanal der Brennkraftmaschine hineinragen und in diesem Bereich der Auslaßkanal eine Lavaldüse bilden kann.

Der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine wird dadurch über alle Betriebszustände verbessert, indem nicht nur die kinetische Energie und der Wärmegehalt des Abgases ausgenutzt wird, sondern auch die in ihm noch vorhandenen chemischen Energien. Letztere sollen d3her nicht im Nachverbrenner nutzlos vernichtet, sondern durch die Verbindungsleitung dem Energieumtauschprozeß des Motors wieder zugeführt werden. Dessen Wirkungsgrad kann dadurch in zweifacher Weise, d. h., auch in unteren Drehzahl- und Lastbereichen und durch vollständige Verbrennung in allen Betriebszuständen verbessert, gleichzeitig aber die Emission an schädlichen Schadstoffen eingeschränkt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den

so Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Radialschnitt durch eine Abgasmaschineneinheit,
F i g. 2 einen Radialschnitt durch einen Lader

Fig.3 einen Axialschnitt durch die beiden vorgenannten Maschinen, die in erfindungsgemäßer Anordnung mit einer im teilweisen Radialschnitt dargestellten Rotationskolben- Brennkraftmaschine zusammenwirken.

Die in F i g. 1 dargestellte, an Stelle der bekannten Abgasturbine tretende Abgasmaschineneinheit ist ein Kapselgebläse außenachsiger Bauart, dessen beide im Übersetzungsverhältnis 1 :1 umlaufenden Kolben 1 und 2 zylindrische Grundkörper 3 aufweisen, die aneinander

h? abrollen. An den Grundkörpern 3 sind je zwei achsferne Bereiche 4, 5, 6, 7 bildende Zähne vorgesehen, die mit ihren Stirnflächen 8 an der Mantellaufbahn 9 entlanggleiten und mit dieser und den Seitenwänden zusammen

die Arbeitsräume 10, 11, 12 bilden. Diese als Zähne ausgebildeten Kolben greifen mit ihren achsfernen Bereichen 4, 5, 6, 7 beim Druckdrehen in halbzylinderförmige, um 90 Grad gegenüber den Zähnen versetzte achsnahe Bereiche 13, 14, 15, 16 bildende Ausnehmungen des Grundkörpers 3 des anderen Kolbens 1 bzw. 2 ein. Die Einlaßöffnung 17 in die au-. Mantel 18 und Seitenwänden 19 und 20 bestehende Kapsel ist soweit bemessen, daß sie von den senkrecht auf der Verbindungslinie 21 der Kolbenachsen stehenden Mittelebenen 22 der Kolben 1 und 2 seitlich begrenzt wird, wie dies die Stellung des Kolben 2 in F i g. 1 zeigt. Gleiches gilt für die Auslaßöffnung 23.

Die Kolben 1 und 2 können aus einem hochwarmfesten Material geringer Wärmedehnung, z. B. aus einem keramischen Werkstoff bestehen, so daß lediglich für eine Lagerkühlung Sorge zu tragen ist. Kolben aus Metall werden zweckmäßigerweise hohl ausgebildet und über die Welle mit einem Kühlmittel versorgt, das aus dem Kühlkreislauf des Motors entnommen werden oder selbständig über einen rotierenden Lamellenkühler 24 gekühlt werden kann, der auf den Kolbenachsen außerhalb des Kapselgehäuses angeordnet ist. Durch die durch diese Maßnahme erzielte Maßhaltigkeit der Kolben 1 und 2 auch bei höherer Temperaturbelastung ist es möglich, die Maschine berührungsfrei zu fahren, d. h. mit sehr schmalen Spalten zwischen den Kolben 1 und 2 und den Arbeitswandungen des Gehäuses und den Kolben unter sich. Diese Spalten sind Flächenspalten mit Ausnahme derjenigen zwischen den beiden Grundkörpern 3 und zwischen den Flanken der Zähne und den Ecken der Ausnehmungen in den Grundkörpern 3. Erstere sind in Folge des tangentialen Anlaufens der Mäntel der Grundkörper untereinander jedoch praktisch von ausreichender Tiefe, die Linearspalten an den Ecken der achsnahen Bereiche 13,14,15,16 wirken andererseits immer paarweise zusammen. Bei den sich im Betrieb ergebenden hohen Drehzahlen, die im Gegensatz zu einer Turbine bereits in den unteren Drehzahlbereichen der aufzuladenden Brennkraftmaschine erreicht werden, ergibt sich daher eine gute Abdichtung.

Diese Abdichtung kann jedoch noch wesentlich durch das Anordnen von labyrinthartigen Strukturen in den beteiligten Oberflächen verbessert werden, nämlich an den Flächen der Arbeitswandungen des Gehäuses und an allen äußeren Oberflächen der Kolben. Diese Strukturen können strahlenförmig oder parallel angeordnete Nuten oder Rippen 25 oder Reihen von hintereinander versetzt angeordneten rechteckigen 25a, runden 25£> oder wabenartigen Vertiefungen oder flache Erhöhungen oder Stifte sein. An den sich abrollenden Flächen kann eine an sich bekannte berührungsfreie Verzahnung von parallelen Nuten 25c vorgesehen werden.

Um das beim Durchgang eines Zahnes mit seinen achsfernen Bereichen 4, 5, 6 oder 7 durch eine der als Ausnehmungen ausgebildeten achsnahen Bereiche 13, 14, 15 oder 16 auftretende störende Druckgefälle zwischen den Teilräumen vor und hinter dem Zahn auszugleichen, kann im Grund der Ausnehmung ein nischenförmiger Ausgleichskanal 28 vorgesehen sein, der in der Wandung der Ausnehmung eine Verbindung über die Stirnfläche 8 des Zahnes hinweg herstellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Ladeeinheit ist ein an sich bekanntes Kapselgebläse außenachsiger Bauart. Die mit je einem Absperrflügel 30 und einer diesen beim Durchdrehen des Absperrflügels des anderen Kolbens aufnehmender Ausnehmung 31 versehenen Kolben 32 und 33 sind im Verhältnis 1 : 1 übersetzt und rollen sich aneinander ab, wobei die Absperrflügel 30 ineinandergreifen. Um ein Anlaufen des druckseitig belasteten Kolbens 33 an der der Auslaßöffnung 34 gegenüberliegenden Seitenwandung 35 zu verhindern, ist im Gehäusemantel 36 ein Ausgleichskanal 37 vorgesehen, der den Druckraum 38 mit einer Nische 39 in der Seitenwand 35 in Verbindung bringt, die der Auslaßöffnung 34 genau gegenüberliegt und mit dieser spiegelbildlich gleiche Konturen aufweist. Auf diese Weise werden die Spalträume beiderseits des axial beweglichen Kolbens 33 gleichmäßig mit Druck beaufschlagt und dieser dadurch genau und ohne Anlaufen an den Seitenwänden zentriert Auch diese Maschine läuft berührungsfrei mit bei hohen Drehzahlen ausreichend abdichtenden Flächenspalten oder jeweils doppelten Linearspalten. Die Abdichtung kann durch die gleiche Labyrinthstruktur der Dichtflächen verbessert werden, wie bei der oben beschriebenen Abgasrotationskolbenmaschine.

Wie F i g. I und 3 zeigt, sind je ein Kolben der Abgasmaschineneinheit und der Ladeeinheit fest auf einer gemeinsamen Weile 50 bzw. 51 angeordnet. Beide Wellen sind durch 1 :1 übersetzte Getriebe 52 auf der kühlen Seite der Ladeeinheit kraftschlüssig verbunden. Zwischen beiden Maschinen ist eine Wärmeisolation 53 vorgesehen.

Der Druckstutzen 54 der Ladeeinheit ist über den Einlaßkanal 55 mit der Einlaßöffnung 56 einer im Schlupfeingriff arbeitenden Kreiskolben-Brennkraftmaschine 57 der Trochoidenbauweise mit dreieckigem Kolben und zweibogiger innerer Mantelfläche verbunden, der Einlaßstutzen 58 der Abgasmaschineneinheit über den Auslaßkanal 59 mit der Auslaßöffnung 60 der Brennkraftmaschine 57. Zwischen dem ladeseitigen Einlaßkanal 55 und dem abgasseitigem Auslaßkanal 59 ist eine Verbindungsleitung 61 angeordnet, durch den vom Lader geförderte Frischluft in den Abgasslrom im Auslaßkanal 59 überführt werden kann. Die Verbindungsleitung 61 mündet in einer Düse 62 aus hochwarmfestem Material in den an dieser Stelle zu einer Lavaldüse 63 ausgestalteten Auslaßkana! 59. In der Verbindungsleitung ist ein z. B. über Drehzahl und Last des Motors 57 steuerbares Regelorgan 64 vorgesehen, über das die Verbindungsleitung z. B. bei Verfahrenszuständen der Brennkraftmaschine mit günstiger Verbrennung geschlossen oder gedrosselt werden kann.

so Länge und Querschnitt des Auslaßkanals 59 kann so ausgestaltet sein, daß entweder vor oder nach der Einmündung der Verbindungsleitung 61 ein oder mehrere Katalysatoren zur Förderung der Nachverbrennung der Abgase angeordnet werden können, denen jeweils eine Einmündung der Verbindungsleitung in den Auslaßkanal 59 zugeordnet ist.
Die Wirkungsweise dieser Anordnung ist wie folgt:
Die Abgas-Rotationskolbenmaschine setzt sich beim Anlassen der Brennkraftmaschine mit höheren Dreh-

bo zahlen in Bewegung und treibt die Ladeeinheit an, so daß sofort vom Anfahren an eine Aufladung der Brennkraftmaschine erfolgt, wie z. B. bei der Kreiskolben-Brennkraftmaschine ein Verfahren ohne Fremdzündung ermöglicht. Über die Verbindungsleitung 61

hi kann, vor allem in der bezüglich der Schadstolfbelastung der Abgase besonders kritischen Anfahrphase oder in niederen Drehzahlbereichen oder Lastzuständen, für die das Gleiche zu gelten hat, aus dem von der Ladeeinheit

geförderten Luftstrom Nachverbrennungsluft in den Abgasstrom überschoben werden. Die Nachverbrennung findet dann in dem aus Auslaßkanal 59, Einlaßstutzen 58 und den von der Abgasdrehkolbenmaschine gebildeten Arbeitsräumen statt und die dabei gewonnene Energie kann wieder voll für den in der Brennkraftmaschine ablaufenden Arbeitsprozeß zugeführt werden. Zugleich werden bessere Verbrennungsergebnisse erzielt als mit herkömmlichen Nachverbren- nern, da hier sehr viel höhere Verbrennungstemperaluren entstehen als bei diesen.

Durch den berührungsfreien Lauf der Abgasmaschinencinheit und der Ladeeinheit können bei ihnen Drehzahlen wie bei einer Turbine und infolge der durch die erfinderischen Maßnahmen dann eintretenden Abdichtung ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   !, Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine für Brennkraftmaschinen, insbesondere für Rotationskolben-Brennkraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dall Ladeeinheit und Abgasmaschineneinheit gesonderte, im gleichen Verhältnis übersetzte außenachsige Drehkolbenmaschinen mit ruhender Arbeitswandung sind und beide Einheiten durch zwei von der Brennkraftmaschine unabhängige Wellen (50,51) miteinander verbunden sind.
2. 2. Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasmaschineneinheit zwei gleiche Kolben (1, 2) mit je zwei achsfernen Bereichen (4, 5, 6, 7) und je zwei achsnahen Bereichen (13,14,15,16) aufweist.
3. 3. Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Einlaß- und Auslaßkanälen (55, 59) der Brennkraftmaschine eine mit einem Regelorgan (64) versehene Verbindungsleitung (61) angeordnet ist.
4. 4. Lade- und Abgas-Rotationskolbenmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung der Verbindungsleitung (61) düsenförmig stromabwärts in den Auslaßkanal (59) der Brennkraftmaschine hineinragt und in diesem Bereich der Auslaßkanal eine Lavaldüse (63) bildet.