DE2362092A1

DE2362092A1 - Innen- und parallelachsige rotationskolben-brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2362092A1
Application number: DE2362092A
Authority: DE
Inventors: Johann Dipl Ing Keylwert
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1973-12-14
Filing date: 1973-12-14
Publication date: 1975-06-19
Also published as: GB1484165A; JPS5090810A; US3926151A; FR2254718A1; FR2254718B1

Description

Innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Kämmeingriff, mit am Mantel angeordneten Dichtreisten und mit einem Kolben, dessen Querschnittskontur durch eine Trochoide mit mehreren Bögen bestimmt ist, zwischen denen sich achsnahe Zonen befinden. ■ .'-.:

Derartige Brennkraftmaschinen sind durch die deutschen Patentschriften 1 451 781 und 1 451 816 bekannt. Dabei erfolgt der Gaswechsel im ersten Falle über im Kolben befindliche Kanäle und wird durch am Umfang des Kolbens angeordnete Steueröffnungen gesteuert, während im zweiten Falle der Gaswechsel durch Ventile gesteuert wird, die im Gehäuse angeordnete Gaswechselkanäle beherrschen,,

Der einfache Triebwerksaufbau, den Rotationskolbenmotoren der Trochoidenbauart aufweisen, läßt sich besonders gewichtsparend ausführen, wenn Verbrennungsverfahren angewandt werden, die mit niedrigen Höchstdrücken im Arbeitsraum auskommen.

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Dies kannman auch bei hochgehaltenem Verdichtungsverhältnis, wenn die Wärmefreisetzung während des Arbeitstaktes so langsam gesteuert erfolgt, daß keine nennenswerte Druckerhöhung im Arbeitsraum über den Verdichtungsenddruck erfolgt. Das gleiche Ziel einer "Gleichdruckverbrennung" erreicht man, wenn die Verbrennung selbst kontinuierlich außerhalb der Arbeitsräume in einer zentralen Brennkammer erfolgt und nur die Druckumsetzung in den Arbeitsräumen erfolgt. Dazu muß das Arbeitsgas aus den Arbeitsräumen in die Brennkammer und wieder zurück in die Arbeitsräume verlagert werden. Dies erfolgt zweckmäßigerweise bei konstantem Druck. Leider weist der angestrebte Arbeitsprozeß der"Gleichdruckverbrennung" dadurch einen schlechten Prozeßwirkungsgrad auf, daß zwangsläufig die Expansion zu spät beginnt und bis zum Erreichen des unteren Totpunktes des Arbeitskolbens verkürzt abläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, insbesondere bei Brennkraftmaschinen, die den eingangs beschriebenen Druckverlauf im Arbeitsraum aufweisen, den Expansionstakt bzw. Verdichtungstakt zu verlängern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anzahl der Bögen der Trochoide durch drei teilbar ist und daß der Kolben an seinem Umfang

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im Bereich eines jeden dritten Bogens einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden. Überströmkanal aufweist, der ungefähr von einer achsnahen Zone zur nächsten reicht.

Bei der erfindungsgemäßen Gestaltung des Kolbens können zwei Arbeitsräume in der; Weise durch einen Überströmkanal miteinander gekoppelt werden, daß bei der Expansion sich zunächst nur das Volumen eines Arbeitsraumes vergrößert, während nach Überlaufen der zwischen zwei Arbeitsräumen liegenden Radial-' dichtung durch den Überströmkanal eine gemeinsame Volumensvergrößerung der zwei benachbarten Arbeitsräume erfolgt. Die Expansion ist beendet, wenn die Summe beider Volumina ein
Maximum erreicht hat.

Die gleichen Vorgänge können bei umgekehrter Aufeinanderfolge auch beim Verdichtungstakt erreicht werden. In diesem Falle verkleinert sich das Volumen zweier benachbarter durch einen Überströmkanal Verbundener Arbeitsräume zunächst gemeinsam, während nach Überlaufen der zwischen den Arbeitsräumen liegenden radialen Dichtleiste durch den Überströmkanal das Arbeitsmedium in dem Arbeitsraum weiter verdichtet wird. Je nachdem,

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wie man die Aufeinanderfolge der Kolbenbögen mit Überströmkanal zu den Kolbenbögen mit Ein- und Auslaßöffnungen für den Gaswechsel in Relation zu der Bewegung des Kolbens legt, läßt sich eine Verlängerung des Expansions- oder des Verdichtungstaktes erzielen. Die Brennkraftmaschine arbeitet nach einem Sechstakt-Verfahren.

Es ist Jedoch auch möglich, gleichzeitig Überströmkanäle für die Verlängerung des Kompressionstaktes als auch des Expansionstaktes vorzusehen. In diesem Falle weist der Kolben eine durch vier teilbare Anzahl von Bögen auf'.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der Kolben Ein- und Auslaßkanäle aufweist, die in den Stirnflächen des Kolbens befindliche Ein- und Auslaßöffnungen mit Ein- und Auslaßsteueröffnungen verbinden, die am Umfang des Kolbens nahe den achsnahen Zonen der in Drehrichtung des Kolbens hinter den Bögen mit den Überströmkanälen liegenden Bögen angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird in erfindungsgemäßer Weise der Expansionstakt verlängert, wobei der Gaswechsel durch am Umfang des Kolbens gelegene Steueröffnungen gesteuert wird, wie sie an sich durch die DT-PS 1 451 781 bekannt sind.

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Um die radialen Dichtleisten gegenüber den überströmenden heißen Verbrennungsgasen während der Expansion möglichst weitgehend zu schützen, oder um die Bewegung der überströmenden Verbrennungsluft bzw. Arbeitsgase in günstiger Weise zu beeinflussen, ist es vorteilhaft, die Überströmkanäle am Umfang des Kolbens bis auf endseitige Öffnungen im Bereich der achsnahen Zonen abzudecken. Dabei können die Kanäle mit wärmeisolierendem Werkstoff ausgekleidet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Brennkraftmaschine eine gemeinsame gehäusefeste Brennkammer aufweist, die mit Arbeitsräumen über zwei Leitungssysteme mit Jeweils einer MündungsÖffnung in den kolbenseitigen Stirnflächen der Seitenteile des Gehäuses zwischen einer inneren und äußeren Axialdichtung sowie über im Kolben befindliche Umladekanäle verbunden ist, die Jeweils eine Mündungsöffnung am Kolbenumfang an den in Drehrichtung vor den Bögen mit den Überströmkanalen liegenden Bögen sowie an einer ■ Stirnseite des Kolbens haben, wobei die Bahnkurve der stirnseitigen MündungsÖffnungen außerhalb der inneren Axialdichtung verläuft und die Mündungsöffnungen der beiden Leitungssysteme in den Seitenteilen des Gehäuses nacheinander überlaufen.

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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Abb. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine ' mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, bei der zwei Kolben auf einem gemeinsamen Exzenter gelagert sind. Die Abbildung ist, wie übrigens alle' folgenden Abbildungen, ebenfalls schematisch gehalten und zeigt unter Weglassung konstruktiver Details lediglich die Merkmale, die zum "Verständnis der Erfindung erforderlich sind.

Abb. 2 zeigt einen Querschnitt in vergrößertem Maßstab etwa entsprechend der Linie II-II in Abb. 1.

Abb. 3 zeigt ebenfalls in vergrößertem Maßstab einen Schnitt im Bereich der Linie III-III in Abb. 1. Ferner ist die Kontur des Kolbens mit dünnen Linien sowie die Projektionen der Einlaß-, Auslaß-, Umlade- und Überströmkanäle gestrichelt eingezeichnet.

Die dargestellten Brennkraftmaschinen sind innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschinen mit Kämmeingriff.

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Die Brennkraftmaschine nach Abb. 1 weist zwei Kolben 1 und 2 auf, die auf einem gemeinsamen Exzenter 3 einer Exzenterwelle 4 gelagert sind und deren Querschnittskontur 5 (Abb.- 3) von einer sechsbogigen Epitrochoide bestimmt ist.

Die Exzenterwelle 4 ist in einem Gehäuse gelagert, das im wesentlichen aus Seitenteilen 6, 7, 8, 9 und zwischen diesen angeordneten Mänteln 10 und 11 besteht. Die innere Querschnittsbegrenzung 12 (Abb. 3) der Mantel 10 und 11 ist durch die äußere Hüllkurve der Querschnittskontur 5 der Kolben 1 und 2 bestimmt. Durch die angegebenen geometrischen Formen werden die Umfange der Kolben 1 und 2 durch eine durch drei teilbare Anzahl von achsnahen Zonen 13 in gleichmäßige Bögen 14 aufgeteilt, von denen jeder dritte sowohl mit Einlaßsteueröffnungen 15 als auch mit Auslaßsteueröffnungen 16 versehen ist, die über in den Kolben 1 und 2 befindliche Kanäle" 17 und 18 mit Einlaßöffnungen 19 und Auslaßöffnungen 20 verbunden sind, die sich in den Stirnflächen 21, 22 bzw. 23, 24 der Kolben 1 und 2 befinden. Die Auslaßöffnungen 20 befinden sich demnach in den einander zugewandten Stirnflächen 23 und 24.

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Die Seitenteile 7 und 8 sind zu einem Bauteil vereinigt und bilden einen Sammelraum 25, der gegenüber dem Exzenter 3 durch eine die Kolben 1 und 2 verbindende Hülse 26 abgedichtet ist. Die Hülse 26 kann so stark ausgebildet werden, daß sie zum Ausgleich des Drehmoments der beiden Kolben 1, 2 dienen kann. In der dargestellten Ausführung weist die Hülse 26 einen Kühlraum 27 auf.

Der Sammelraum 25 steht über ringförmige Spalte 28, die zwischen der Hülse 26 und den Seitenteilen 7 und 8 gebildet werden in ständiger Verbindung mit den Auslaßöffnungen 20, deren Bahnkurven von einer inneren Axialdichtung 29 umgeben werden.

In den Sammelraum 25 ist eine für beide Kolben 1 , 2 gemeinsame, gehäusefeste Brennkammer 30 eingesetzt, die über zwei Leitungssysteme 31 und 32 mit Arbeitsräumen 33 in Verbindung steht. Die Arbeitsräume 33 werden durch die Kolbenumfangsflache, die innere Mantelfläche und die entsprechenden Bereiche der Seitenteile gebildet und gegeneinander durch an den Mänteln 10 und 11 angeordnete radiale Dichtleisten 34 sowie in den Seitenteilen 6, 7, 8, 9 angeordnete Axialdichtungen 29 und 35 bzw. 36 abgedichtet.

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Die Leitungssysteme 31 und 32 bestehen aus einer Ringleitung 38 bzw. 37» von denen aus Abzweigungen 39 bzw. 40 zu MündungsÖffnungen 41 bzw. 42 in den Seitenteilen 7 und 8 führen. Bei der Drehung der Kolben 1, 2 in der durch einen Pfeil 43 angegebenen Richtung werden die Mündungsöffnungen 41 und 42 von Mündungsöffnungen 44 zugehöriger Umladekanäle 45 überlaufen, die in der Stirnfläche 23 bzw. 24 der "Kolben 1 und 2 liegen. Die mit 46 bezeichnete Bahnkurve der Mündungsöffnungen 44 ist punktiert in Abb. 3 eingezeichnet. Aus dieser Abbildung ist zu ersehen, daß die Mündungsöffnungen 41 und 42 in bezug auf den oberen Totpunkt in der Bahnkurve 46 so angeordnet sind, daß die Mündungsöffnungen 41 von den Mündungsöffnungen 44 vor dem oberen Totpunkt der Kolben und die Mündungsöffnungen 42 nach dem oberen Totpunkt überlaufen werden.·

Anstelle der dargestellten Ausführungsform mit einem Umladekanal 45 für einen Bogen 14 und zwei Überströmöffnungen 41 und 42 auf der Bahnkurve 46 ist es auch möglich, zur Vermeidung einer Strömungsumkehr in dem Umladekanal 45 zwei Umladekanäle vorzusehen, deren stirnseitige MündungsÖffnungen entweder in verschiedenen Stirnflächen eines Kolbens . oder radial versetzte Bahnkurven beschreiben, auf denen

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entsprechende Mündungsöffnungen in den Seitenteilen des Gehäuses liegen.

Die Mündungsöffnungen 41 und 42 sind von ringförmigen axialen Dichtungen¹ 35 umgeben, die über Dichtbolzen 47 an die innere Axialdichtung 29 und an die radialen Dichtleisten 34 angrenzen.

In Drehrichtung vor dem Bogen mit den Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen 15 und 16 ist ein Kolbenbogen mit einem Überströmkanal 54 vorgesehen, der zum Arbeitsraum 33 hin bis auf zwei endseitige Öffnungen 55 im Bereich der achsnahen Zonen 13 abgedeckt ist.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Rotationskolben-Brennkraftmaschine ist folgende:

Durch Ansaugleitungen 48 bzw. 49 an den Seitenteilen 6 bzw. 9 wird über Zuführungskanäle 50 bzw. 51, Einlaßöffnungen 19, Einlaßkanäle 17 und Einlaßsteueröffnungen 15 bei der Volumenzunahme der entsprechenden Arbeitsräume "33 Frischluft angesaugt. Überläuft die Steueröffnung 15 die in Drehrichtung nächstgelegene Dichtleiste 34, ist der

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Ansaugtakt beendet. Während der weiteren Umdrehung des Kolbens wird die frische Luft in dem Arbeitsraum 33 verdichtet bis der Umladekanal 45 mit seiner stirnseitigen Mündungsöffnung 44 die Mündungsöffnung 41 überläuft:und über seine Mündungsöffnung 52 am Umfang des Kolbens die' Verbindung zum Arbeitsraum. 33 herstellt. Die Volumenabnahme des Arbeitsraumes 33 während des Überlaufens der Mündungsöffnung 41 durch die Mündungsoffnung 44 dient dazu, komprimierte Luft über das Leitungssystem 39 in--die Brennkammer 30 zu fördern. Durch die Form und Lage der Mündungsöffnung 41 kann dieser Vorgang auf die Erfordernisse der Maschine abgestimmt werden. Die in die Brennkammer 30 gelangende Frischluft dient zur Verbrennung von Kraftstoff, der über einen Anschluß 53 zugeführt wird. Das Volumen der Brennkammer 30 ist so groß vorzusehen, daß selbst bei Lastwechsel eine kontinuierliche Verbrennung erfolgen kann.

Bei weiterer Drehung des Kolbens überläuft die MündungsÖffnung 44 nach Überschreiten des Punktes der Bahnkurve 46, der der Totpunktlage des Kolbens entspricht, die Mündungsöffnung 42. Hierbei wird der Brennkammer 30 infolge des sich während des Überlaufens der Mündungsöffnung 42 vergrößernden Arbeitsraumes 33 ein Volumen heißen Abgases entnommen,

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"das während des weiteren Verlaufes expandiert. Nach einer bestimmten Volumensvergrößerung des Arbeitsraumes 33 überläuft eine Öffnung 55 des Überströmkanals 54 die in Drehrichtung des Kolbens nächstgelegene Radialdichtung 34, wodurch der im Expansionstakt befindliche Arbeitsraum mit dem in Drehrichtung des Kolbens zurückliegenden Arbeits- raum verbunden wird und sich gemeinsam mit diesem bis zu einem Maximum vergrößert. Der Auslaßtakt beginnt, wenn die Auslaßsteueröffnung 16 die in Drehrichtung 43 des Kolbens nächstgelegene Dichtleiste 34 überlaufen hat. Im weiteren Verlauf wiederholt sich der Arbeitszyklus, indem der Arbeitstakt mit dem Überlaufen der in Drehrichtung nächstgelegenen Dichtleiste 34 durch eine Einlaßsteueröffnung 15 beginnt.

Selbstverständlich kann die Erfindung auch bei Rotationskolben-Brennkraftmaschinen angewendet werden, bei denen der Gaswechsel über ventilgesteuerte Kanäle erfolgt, die sich im Gehäuse der Brennkraftmaschine befinden.

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Claims

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1.)Innen- und parallelachsig« Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Kämmeingriff,mit am Mantel angeordneten Dichtleisten und mit einem Kolben, dessen Querschnittskontur durch eine Trochoide mit mehreren Bögen bestimmt ist, zwischen denen sich achsnahe Zonen befinden, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Bögen (14) der Trochoide durch drei teilbar ist und daß der Kolben (1, 2) an seinem Umfang im Bereich eines Jeden dritten Bogens (14) einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Überströmkanal (54) aufweist, der ungefähr von einer achsnahen Zone (13) zur nächsten reicht.

2. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1, 2) Ein- und Auslaßkanäle (17,18) aufweist, die in den Stirnflächen des Kolbens (1, 2) befindliche Ein- und Auslaßöffnungen (19, 20) mit Ein- und Auslaßsteueröffnungen (15, 16) verbinden, die am Umfang des Kolbens (1, 2) nahe den achsnahen Zonen (13) der in Drehrichtung (43) des Kolbens (1, 2) hinter den

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Bögen (14) mit den Uberströmkanälen (54) -liegenden Bögen (14) angeordnet sind, sofern ein verlängerter Expansionstakt erreicht werden soll.

3. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanäle (54) am Umfang des Kolbens (1, 2) bis auf endseitige öffnungen (55) im Bereich der achsnahen Zonen (13) abgedeckt sind.

4. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Überströmkanale (54) wärmeisolierend ausgekleidet sind.

5. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine eine gemeinsame gehäusefeste Brennkammer (30) aufweist, die mit Arbeitsräumen (33) über zwei Leitungssysteme (31, 32) mit jeweils einer Mündungsöffnung (41, 42) in den kolbenseitigen Stirnflächen der inneren Seitenteile (7, 8) des Gehäuses zwischen einer inneren (29) und äußeren Axialdichtung (35) sowie über im Kolben (1, 2) befindliche Umladekanäle (45) verbunden ist, die jeweils eine MUndungsöffnung (44) am Kolbenumfang an den in Drehrichtung (43) vor

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den Bögen (-14) mit den Überströmkanälen (54) liegenden Bögen (14), sowie an einer Stirnseite des Kolbens (1* Z) haben, wobei die Bahnkurve (46) der stirnseitigen Mündungsöffnungen (44) außerhalb der inneren Axialdichtung (29) verläuft und die Mündungsöffnungen (41,.42) der beiden· Leitungssysteme (31, .32) in den Seitenteilen (7, 8) des Gehäuses nacheinander überlaufen.

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