DE2321734A1

DE2321734A1 - Drehkolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2321734A1
Application number: DE2321734A
Authority: DE
Inventors: Edward Nicholas Cole
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1972-05-01
Filing date: 1973-04-26
Publication date: 1973-11-15
Also published as: GB1416770A; CA993798A; US3780707A; FR2183494A5; IT994055B; JPS4947710A

Description

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W/Vh-2948 26.4.73

General Motors Corporation, Detroit, Mich., V.S-fc.A.

Drehkolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine Drehkorben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse mit einem Gemischeinlasskanal und einem Auslasskanal und einem in ihm umlaufenden planetenartig angetriebenen Drehkolben, der mit dem Gehäuse mehrere Arbeitsräume mit veränderlichem Volumen bildet, welche bei umlaufendem Drehkolben aufeinanderfolgend mit dem Einlasskanal und danach mit dem Auslasskanal verbunden werden.

Eine derartige Drehkolben-Brennkraftmaschine ist beispielsweise durch die US-PS 3 244 153 bekannt. Bei dieser sind zum Zwecke eines verbesserten Teillastbetriebes zusätzliche Einlassöffnungen vorgesehen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolben-Brennkraftmaschine der eingangs erwähnten Art so weiter auszugestalten, dass eine Schichtung des Gemische eintritt, wodurch bei der Verbrennung die Bildung unerwünschter Abgasbestandteile,wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Stickoxide, verringert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Gemischeinlasskanal zwei Einlassöffnungen zu den Arbeitsräumen aufweist, von denen die eine ein magereres Gemisch als die andere Einlassöffnung zuleitet und länger als letztere geöffnet ist, so dass in durch die Lage der Einlassöffnungen gesteuerter Weise in Umfangsrichtung ein mageres, sich fortschreitend anreicherndes Gemisch bildet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass jede Umfangsfläche des Drehkolbens so gestaltet ist, dasain der Stellung, in der der von ihr begrenzte Arbeitsraum das kleinste Volumen hat, dieser in zwei durch eine drosselnde Verbindung verbundene, in Umfangsrichtung hintereinander liegende Kammern unterteilt ist. Es kann hierdurch die Verbrennung in den ein reicheres Gemisch und ein magereres Gemisch enthaltenden Kammern besser voneinander getrennt werden. Ferner ist es zweckmässig, wenn eine Zündeinrichtung so angeordnet ist, dass sie bei gedrosselt in Verbindung miteinander stehenden Kammern

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das reichere Gemisch in der nachlaufenden Kammer zündet und die eingeleitete Verbrennung "bei dem weiteren Drehen des Drehkolbens in die vorlaufende Kammer übertritt.

Auf diese Weise ist es möglich, das reichere Gemisch der nachlaufenden Kammer so einzustellen, dass eine Begrenzung der Brenntemperatur so weit erfolgt, dass eine geringe Bildung von Stickoxiden erfolgt, worauf die hierbei unvollkommen verbrannten Bestandteile, wie Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, in das magerere Gemisch gebracht und dort vollständig verbrannt werden. Auf diese Weise werden also die Bestandteile sämtlicher schädlicher Stoffe in erheblichem Masse verringert.

Weitere Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen,,

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. In den Zeichnungen zeigen

Figo 1 einen schematischen Schnitt durch eine Drehkolben-Brennkraftmaschine nach der Erfindung mit einer erfindungsgemäss ausgebildeten Einlassanlage,

Fig. 2 bis 7 Darstellungen verschiedener Arbeitsstellungen der Brennkraftmaschine während eines Arbeitszyklus,

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Fig. 8 einen Teilschnitt einer abgewandelten

Ausführungsform der Einlassanlage und Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie 9-9 in Fig.8.

Die in Fig. 1 dargestellte Drehkolben-Brennkraftmaschine der Wankelbauart hat ein ortsfestes äusseres Gehäuse 10, das einen Hohlraum 11 zur Aufnahme eines Drehkolbens enthält, der durch eine Umfangswand 12 eines Gehäuseteils 13 und zwei axialen Abstand voneinander aufweisenden Seitenwänden 14 von Seitengehäuseteilen 15 begrenzt wird. Die Umfangswand 12 hat die Form einer zweiflügeligen Epitrochoide oder einer zu dieser parallelen Kurve, deren Achse 16 im Schnittpunkt der kleinen Achse mit der grossen Achse liegt. Eine Ausgangswelle 20 erstreckt sich durch den Hohlraum 11 und ist drehbar in dem Gehäuse 10 in den Seitengehäuseteilen 15 gelagert, wobei die Achse der Ausgangswelle in der Achse 16 der Umfangswand 12 liegt.

Die Ausgangswelle 20 trägt innerhalb des Hohlraumes 11 einen Exzenter 21, auf dem ein Drehkolben 22 um die Achse 24 des Exzenters drehbar angeordnet ist. Die Achse 24 des Exzenters verläuft parallel in Abstand zur Achse 16 der Ausgangswelle« Der Drehkolben 22 hat im wesentlichen dreieckige Gestalt mit drei gewölbten Umfangsflachen 26, die der Umfangswand 12 des Gehäuses gegenüberliegen und mit dieser und den Seitenwänden 14 Arbeitsräume 28, 28' und 28" veränderlichen

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Volumens bilden. An jeder Kante des Drehkolbens 22 sind in axialer Richtung liegende Kantendichtungen 29 vorgesehen, die gegen die Umfangsfläche 12 des Gehäuses abdichten, während in den Seitenwänden des Drehkolbens 22 Seitendichtungen 30 angeordnet sind, die sich zwischen benachbarten Kantendichtungen 29 erstrecken. Im Schnittpunkt dieser Dichtungen sind ferner Eckdichtungen 31 vorgesehen, wodurch die Abdichtung der Arbeitsräuae vervollständigt wird. Die Kantendichtungen 29 liegen dauernd gegen die Umfangswand 12 des Gehäuses an, während die Seitendichtungen 30 und die Eckdichtungen 31 die Abdichtung gegen die Seitenwände 14 bewirken. Mit der zweiflügeligen Umfangswand 12 und dem drei Umfangsflachen aufweisenden Drehkolben 22 werden vier Arbeitstakte, nämlich Ansaugen, Verdichten, Expansion und Auspuff, in jeder Kammer in fester Beziehung zu dem Gehäuse bei jeder Umdrehung des Kolbens erzielt, wenn der Drehkolben mit 1/3 der Drehzahl der Ausgangswelle umläuft. *Dies wird durch ein Getriebe erzwungen, das aus einem mit dem Drehkolben 22 konzentrisch zur Achse 24 befestigten innenverzahnten Rad 32 besteht, das mit einem aussenverζahnten Rad 33 kämmt, das konzentrisch zur Ausgangswelle 20 liegt und mit dem Gehäuse 10 fest verbunden ist. Das Ringrad 32 hat 1,5 mal so viel Zähne wie das Zahnrad 33» worauf sich das gewünschte Verhältnis von 3il zwischen den Drehzahlen der Ausgangswelle 20 und des Drehkolbens 22 ergibt.

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Wie bei einer üblichen Drehkolben-Brennkraftmaschine ist ein Einlasskanal 34 vorgesehen, der sich durch das Gehäuse 10 und den Gehäuseteil 13 erstreckt und mit einer Öffnung 35 in der Umfangswand 12 in den Hohlraum 11 mündet. ' Eine derartige Ausbildung ist beispielsweise bei bekannten Drehkolbenmaschinen üblich, wobei über den Einlasskanal Gemisch zugeleitet w±rd. Unter dieser Annahme wird Gemisch in eine Arbeitskammer geleitet, wenn beim Drehen des Drehkolbens in Richtung des Pfeiles in Fig. 1 eine Kantendichtung 29 über die Einlassöffnung 35 läuft und diese Zufuhr bleibt solange erhalten, bis die nachlaufende Kantendichtung das Sehliessen der Einlassöffnung 35 bewirkt. Das dann in dem Arbeitsraum eingeschlossene Gemisch wird anschliessend verdichtet und in der Totpunktlage des Drehkolbens entsprechend Fig. 6 oder in deren Nähe erfolgt ein Zünden der Mischung durch eine Zündkerze 36, die in dem Gehäuseteil 13 angeordnet ist. Die Umfangswand 12 nimmt die Reaktionskräfte auf und bewirkt das weitere Drehen des Drehkolbens, währ end sich die Brenngase ausdehnen. Die vorlaufende Kantendichtung dieses Arbeitsraumes überläuft dann eine Auslassöffnung 37, durch die die Brenngase ins Freie austreten_o Der Arbeitskreislauf ist damit beendet. Da bei einer Einkolbenmaschine die drei Arbeitsräume die vier Arbeitstakte Ansaugen,Verdichtung, Expansion und Auspuff durchlaufen, ergibt sich bei jeder Umdrehung der Ausgangswelle ein Leistung liefernder Arbeitstakt.

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Unter der Annahme, dass der Einlasskanal 34

allein vorgesehen ist, wie dies bei bekannten Maschinen üblich ist, ergibt sich in Umfangsrichtung ein unterschiedliches Brennstoff-LuftVerhältnis in jedem Arbeitsraum, wobei eine Anrebherung des Gemischs in Richtung auf den nachlaufenden Teil des Arbeitsraumes festgestellt wird. Dies scheint zum Teil auf die Trägheit der schwereren Brennstoffpartikel im Gemisch zurückzuführen zu sein, da man beobachtete, dass diese Veränderung des Brennstoff-Luft-Gemischs umso ausgeprägter wird, je höher die Drehzahl ist. Im Endergebnis ist es schwierig, eine wirksame Verbrennung mit geringem Anteil von schädlichen Bestandteilen über den Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine zu erhalten. Erfindungsgemäss ist daher die Ansauganlage so ausgebildet, dass eine Schichtung des Gemisches durch eine gesteuerte Veränderung des Brennstoff-Luft-Gemischs in jedem Arbeitsraum vor der Einleitung der Verbrennung bewirkt wird. Bei einer Ausführungsform gemäss Fig. 1 sind zusätzlich zu dem Einlasskanal 34 zwei weitere Einlasskanäle 38 vorgesehen, die sich durch die seitlichen Gehäuseteile 15 erstrecken und in axial zueinander ausgerichteten Einlassöffnungen 39 in den Seitenwänden 14 enden. Diese Einlassöffnungen 39 sind zu dem Wog des Drehkolbens 22 so angeordnet, dass der Drehkolben 22 beim Umlauf die Einlassöffnungen 39 nach dem Öffnen der in der Umfangswand liegenden Einlass-

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öffnungen 35 öffnet, wie dies später noch näher beschrieben wird. An dem Gehäuse 10 ist ein Einlasskasten 40 befestigt, der über einen Einlass 41 mit der Aussenluft in Verbindung steht und einen Kanal 42 zur Einlasskanal 34 aufweist. Ein zweiter Kanal 43 ist über Zweigkanäle mit den Einlasskanälen 38 verbunden. In dem Kanal 43 liegt ein Vergaser 44 mit einer Venturidüse 46 und einer in deren Bereich vorgesehenen Brennstoffdüse 48, die Brennstoff von einer Brennstoffquelle 50 erhält, die lediglich schematisch dargestellt ist. In dem Kanal 43 ist unmittelbar stromab der Venturidüse eine Drosselklappe 51 vorgesehen, wie auch in dem anderen Kanal 42 eine Drosselklappe 52 vorgesehen ist. Die beiden Drosselklappen 52 und 51 sind miteinander gekuppelt an ein Fahrpedal 53 über ein Gestänge betätigbar, so dass beim Niederdrücken des Fahrpedals 53 gleichzeitig beide Drosselklappen gegen die Kraft einer Rückstellfeder 55 geöffnet werden.

Die in dieser Weise ausgebildete Drehkolben-Brennkraftmaschine arbeitet in folgender, anhand der Fig. 1 bis 7 näher beschriebenen.Weise, wobei eine der Arbeitsräume 28 sich mit dem Drehkolben 22 bewegt. In Fig. 1 verdrängt der Drehkolben die Abgase aus dem Arbeitsraum 28 durch den Auslasskanal 37, wobei gerade die Lufteinlassöffnung 35 geöffnet wird. Bei teilweise geöffneten Drosselklappen 52 und 51 läuft die vorlaufende

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Kantendichtung 29 über die Einlassöffnung 35 hinweg, so dass Luft durch die Einlassöffnung 35 in den Arbeitsraum 28 einströmt, während die Gemiseinzuleitenden Einlassöffnungen 39 durch die Seitenwände des Drehkolbens 22 noch verschlossen sind. In der Stellung gemäss Fig. 3 ist der Arbeltsraum 28 über die Einlassöffnung 35 im wesentlichen mit Luft gefüllt und es bemginnt das Öffnen der Gemisch zuleitenden Einlassöffnungen 39 durch Freilegen durch den Drehkolben 22, Bei der fortschreitenden Drehbewegung des Drehkolbens 22 werden die Einlassöffnungen 39 fortschreitend weiter geöffnet, da die Seitendichtungen 30 über diese hinwegtreten. In der Stellung gemäss Fig. 4 sind dann die Einlassöffnungen 39 für Gemisch voll geöffnet. Das zugeleitete Gemisch mischt sich mit der zuvor zugeleiteten Luft, so dass sich in Umfangsrichtung eine Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in der Kammer 28 in anderer ¥eise als unter der Trägheitswirkung einstellt, wobei sich ein mageres Gemisch in dem vorlaufenden Teil des Arbeitsraumes in ein reicheres Gemisch an dessen nachlaufendem Teil ändert. Erreicht der Drehkolben 22 die Stellung gemäss Fig, 5, so hat die nachlaufende Kantendichtung 29 die Einlassöffnung 35 überlaufen, während gleichzeitig die Seitendichtungen über die Gemisch zuleitenden Einlassöffnungen 39 getreten sind, so dass der Arbeitsraum 28 nunmehr abgeschlossen

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ist und beim weiteren Drehen des Drehkolbens die Verdichtung erfolgt. Die Zündkerze 36 ist so angeordnet, dass bei Erreichen der Totpunktlage des Drehkolbens 22 für diesen Arbeitsraum 28 (Fig.6) ein Zünden des reicheren Gemischteils im nachlaufenden Teil des Arbeitsraumes 28 erfolgt, worauf dann die Verbrennung in den vorlaufenden Teil übertritt, in dem fortschreitend ein magereres Gemisch vorliegt.

Um einen derartigen Verlauf der Verbrennung

zu unterstützen, sind die Umfangsflachen 26 des Drehkolbsns 22 anstelle des üblichen Kanals zur Überbrückung der Einschnürung der Epitrochoide in der Totpunktstellung mit zwei in ümfangsrichtung Abstand voneinander aufweisenden Ausnehmungen 58 und 60 versehen, die durch einen Steg 62 voneinander getrennt sind. Die Ausnehmung 60 stellt hierbei eine vorlaufende Kammer^dar, während die Ausnehmung 58 eine nachlaufende Kammer darstellt. Befindet sich der Drehkolben in der Totpunktlage gemäss Fig_e 6 so ist der Arbeitsraum 28 tatsächlich durch den Steg 62 und die Einschnürung der Umfangswand 12 des Gehäuses in einen vorlaufenden Bereich 64 mit magerem Gemisch und einen nachlaufenden Bereich 66 mit reicherem Gemisch unterteilt. Die Zündkerze 36 zündet das reichere Gemisch in dem Bereich 66, während der Drehkolben sich aus der Stellung gemäss Fig. 6 in die nach Fig. 7 bewegt, wobei dies genügend früh erfolgt, um eine im wesentlichen vollständige Verbrennung zu erzielen, wenn der nachlau.-

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fende Bereich 66 in ungedrosselte Verbindung mit dem vorlaufenden Bereich 64 gelangt. Die Brenngase treten dann in das magerere Gemisch in dem Bereich 64 über, wo die vollständige Verbrennung der bisher unverbrannten Bestandteile erfolgt.

In den Fig. 8 und 9 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt, bei der gleiche Bauteile mit gleichen Ijssugszeichen, jedoch mit einem Beistrich, versehen verwendet sind.

Bei dieser Ausführungsform ist nur eine Gemisch- ©iniassöffnung 39' vorgesehen und die Lufteinlassöffnung 35' ist anstelle an der Umfangswand 12' in der gegenüberliegenden Seitenwand 14 axial ausgerichtet zur Gemischeinlassöffnung 39* angeordnet. Die Lufteinlassöffnung 35 ^s ist zum Bewegungsweg dea Drehkolbens so angeordnet, dass sie während des gesamten Ansaughubes eines Arbeitsraumes geöffnet ist, während die Gemischeinlassöffnung 39' nur über den Endbereich des Ansaughubes geöffnet ist. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Grosse der Lufteinlassöffnung 35^f grosser gewählt werden kann als bei Anordnung an der Umfangswand, ohne die Überlappung zwischen Auspuff und Ansaughub zu vergrössern. Im übrigen arbeitet die Ausführungsform nach den Fig. 8 und in der gleichen Weise wie die erste Ausführungsform.

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Bei beiden Ausführungsformen ist eine gesteuerte Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in Umfangsrichtung in jedem Arbeitsraum vor der Einleitung der Verbrennung erreicht, wobei das Gemisch in Richtung auf das nachlaufende Ende der Kammer fortschreitend angereichert wird_e Ferner ist es möglich, die Drosselklappen in der Luftzufuhr und der Gemischzufuhr in einer bestimmten Zuordnung zueinander zu verstellen oder auch unabhängig voneinander zu betätigen, um eine optimale Änderung des Brennstoff-Luft-Verhältnisses in Umfangsrichtung für besondere Zwecke und für vorgegebene Drehzahlen zu erreichen, In den Ausführungsbeispielen wird dies dadurch erreicht, dass Luft über den gesamten Ansaughub angesaugt wird und Gemisch nur im letzteren Teil des Ansaughubes zuströmt. Es könnte jedoch auch über die erste Einlassöffnung ein mageres Gemisch anstelle von reiner Luft zugeführt werden, wobei diese Zufuhr über den gesamten Ansaughub erfolgt, während die gewünschte Anreicherung des Gemischs durch Öffnen der zweiten Einlassöffnung im Endteil des Ansaughubes bewirkt wird.

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Claims

Patentansprüchei

r \

ί Iy Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem Gehäuse mit einem Gemischeinlasskanal und einem Auslasskanal und einem in ihm umlaufenden planetenartig angetriebenen Drehkolben, der mit dem Gehäuse mehrere Arbeitsräume mit veränderlichem Volumen bildet, welche bei umlaufendem Drehkolben aufeinanderfolgend mit dem Einlasskanal und danach mit dem Auslasskanal verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Gemischeinlasskanal zwei Einlassöffnungen (35,39) zu den Arbeitsräumen (28) aufweist, von denen die eine(35) ein magereres Gemisch als die andere Einlassöffnung (39) zuleitet und langer als letztere geöffnet ist, so dass in durch die Lage der Einlassöffnungen gesteuerter Weise in Umfgngsrich« tung ein mageres, sich fortschreitend anreicherndes Gemisch bildet.
2. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Einlassöfnung (35) während des Ansaughubes jedes Arbeitsraumes (28) und die andere Einlassöffnung (39) lediglich während eines restlichen Teils des An- : saughubes geöffnet sind.

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3. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Umfangsfläche (26) des Drehkolbens (-22) so gestaltet ist, dass in der Stellung _s in der der von ihr begrenzte Arbeitsraum (28) das kleinste Volumen hat, dieser in zwei durch eine drosselnde Verbindung (62) verbundene, in Umfangsrichtung hintereinander liegende Kammern (58 und 60) unterteilt ist.
4. Drehkolben-Brennkraftmasdhine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Einlassöffnung (35) lediglich Luft zuleitet und mit dem Arbeitsraum (28) verbunden ist, bis die beiden Kammern (58 und 6o) in drosselnder Verbindung miteinander stehen und die andere Einlassöffnung (39) Gemisch im Endteil des Ansaughubes,bis die beiden Kammern in drosselnder Verbindung miteinander stehen, zuleitet, so dass bei Erreichen des kleinsten Volumens des Arbeitsraumes in der nachlaufenden Kammer (58) ein reicheres Gemisch als in der vorlaufenden Kammer (60) gebildet ist.
5. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zündeinrichtung (36) so angeordnet ist, dass sie bei gedrosselt in Verbindung miteinander stehenden Kammern (58 und 60) das reichere Gemisch in der nachlaufenden Kammer (58) zündet, und die eingeleitete Verbrennung bei dem weiteren Drehen des Drehkolbens (22) in die vorlaufende Kammer (60) übertritt.

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6. Drehkolberi-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 Ms 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Einlassöffnung (39) so angeordnet ist, dass sie zeitlich nach der ersten Einlassöffnung (35) öffnet und dass beide Einlassöffnungen zur gleichen Zeit geschlossen werden.
7. Drehkolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Einlassöffnung (35) in der ümfangswand (12) des Gehäuses (13) und die zweite Einlassöffnung (39) in einer Seitenwand (14) des Gehäuses angeordnet sind.

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