DE2412363C3 - Drehkolben-Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Eine Drehkolben-Brennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung ist aus der deutschen Auslegeschrift 14 51 813 bekannt. Bei dieser Maschine werden von der Arbeitsmittelzuführeinrichtung verdichtete Luft und Kraftstoff jeweils einer von insgesamt drei am Rotor vorgesehenen Aussparungen zugeführt, und das in jeder Aussparung jeweils enthaltene Gemisch wird durch die in Drehrichtung des Rotors kurz hinter der Arbeitsmittelzuführeinrichtung am Gehäusemantel vorgesehene Zündeinrichtung gezündet. Das gezündete und expandierende Gemisch treibt den Rotor in der Richtung, in der sich die kurz hinter der Zündeinrichtung beginnende Arbeitskammer erweitert.

Bei diesem üblichen Verbrennungsvorgang wird zur möglichst vollständigen Verbrennung, d. h. insbesondere zur Vermeidung der Entstehung von Kohlenmonoxiden, das Gemisch sofort auf eine verhältnismäßig hohe Temperatur erhitzt, wobei allerdings eine erhebliche Menge an Stickstoffoxiden gebildet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eint optimale Verbrennung bei relativ geringer Menge an Stickstoffoxiden anzustreben.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt nach der Lehre des Patentanspruchs 1. Danach läßt sich über eine erste ICraftstoffzuführeinrichtung einer ersten Aussparung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch zuführen, das eine höhere Dichte als normales Gemisch aufweist und das zunächst einer unvollständigen Verbrennung bei einer Temperatur unterworfen werden kann, die niedriger ist als für vollständige Verbrennung erforderlich. Dadurch lassen sich die bei höheren Temperaturen entsteherden Stickstoffoxide verringern. Das unvollständig verbrannte Gas wird dann durch die Drehung des Rotors in die Verbrennungskammer geleitet Die vorgesehene weitere Arbeitsmittelzuführung mit der weiteren Aussparung gestattet nun die Einleitung eines weiteren Strömungsmittels in die Verbrennungskammer, das die weitere vollständige Verbrennung des zunächst unvollständig verbrannten Kraftstoffgemisches unterstützt so daß auch die Erzeugung von Kohlenmonoxid vermieden wird.

Aus der französischen Patentschrft 13 61 236 ist noch eine in ihrem grundsätzlichen Aufbau ähnliche Drehkolben-Brennkraftmaschine bekannt bei der allerdings im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Maschine keinerlei Aussparungen am Rotor vorgesehen sind, so daß das drucklos zugeführte Kraftstoff-Luft-Gemisch wiederum wie üblich in einem einstufigen Verbrennungsvorgang verbrannt wird.

Die Erfindung wird in der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Drehkolbenmaschine,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das Ausführungsbeispiel der F i g. 1 beim Ansaugen eines Kraftstoff-Luft-Gemisches,

Fig.3 einen Längsschnitt längs der Linie A—A der Fig. 2,

F i g. 4 bis 6 Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele von Drehkolbenmaschinen,
F i g. 7 einen teilweisen Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Dichtungs- oder Trennelements an einem erfindungsgemäßen Rotor und

Fig.8 und 9 perspektivische Darstellungen von weiteren Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Rotors.

Das in F i g. 1 bis 3 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt einen Rotor 1 mit genau kreisförmigem Querschnitt, der auf einer zentrischen Welle 5 innerhalb einer von einem Gehäusemantel 4 umschlossenen Arbeitskammer 2 angeordnet ist. Ein Teil der Mantelinnenwandlung 3 der Arbeitskammer 2 hat die gleiche Kontur wie der Umfang des Rotors 1, während der übrige Teil der Wandung 3 an seinem Umfang größer ist als der Rotor 1.

Eine bestimmte erforderliche Länge der Mantelfläche 6 des Rotors 1 ist so gestaltet, daß er mit demjenigen Teil der Mantelinnenwandung 3 der Arbeitskammer 2 in hermetische Gleitkontakt steht der die gleiche Abmessung wie der Umfang des Rotors 1 aufweist, während sich die Mantelfläche des Rotors 1 gegenüber dem restlichen Teil der Wandung 3 stehts außer Gleitkontakt befindet und somit eine zweite Arbeitskammer 7 bildet.
Die Mantelfläche 6 des Rotors 1 ist mit einer Aussparung 8 zur Aufnahme eines Kraftstoff-Luft-Gemisches sowie mit einer von der Mantelfläche 6 radial nach innen auf die Welle 5 zu verlaufenden Nut 10 versehen.

In der Nut 10 ist als Leistungsteil ein Kolbenschieber 9 so angeordnet, daß er selektiv aus der Nut heraus und in sie hinein bewegbar ist. Zur Vorspannung des

hi Kolbenschieber 9 in Eingriff mit der Wandung 3 der Arbeitskammer 2 dient eine Feder 9' oder ein ähnliches elastisches Element. Anstelle einer Feder oder eines elastischen Elements kann auch die Zentrifugalkraft

ausgenützt werden, um ein Ende des Kolbenschiebers 9 in Gleitkontakt mit der Wandung 3 zu halten. Der Kolbenschieber 9 ist in Drehrichtung des Rotors 1, die in F i g. 1 und 2 durch den Pfeil B angedeutet ist, gegenüber der Aussparung 8 voreilend angeordnet

Die Wandung 3 der Arbeitskammer 2 ist mit einer Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 zum Zuführen eines Krafistoff-Luft-Gemisches oder dessen Bestandteile, einer öffnung 12 für die Zündung sowie einer Auslaßöffnung 13 versehen. In die Zündungsöffnung 12 verläuft eine geeignete herkömmliche Zündeinrichtung, die generell mit I bezeichnet ist und eine selektive Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches hervorruft

Die Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 und die Zündungsöffnung 12 sind innerhalb desjenigen Bereiches der Wandung 3 angeordnet, in dem der Rotor 1 in Gleitkontakt mit der Wandung 3 steht während die Ausiaßöffnung 3 unmittelbar vor diesem Bereich ausgebildet ist Der Abstand zwischen der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 und der Zündungsöffnung 12 sowie der Abstand zwischen der Arbeitsmittelzufuhröffnung 111 und der Auslaßöffnung 13 sind jeweils größer als die Breite der in der Mantelfläche 6 des Rotors gebildeten Aussparung 8.

Um zu erreichen, daß die Aussparung 8 dann, wenn sie an die Stelle der Arbeitsmittelzufuhröffnung Γ gelangt rasch und wirksam das Kraftstoff-Luft-Gemisch selektiv aufnimmt steht die Aussparung 8 über die Arbeitsmittelzufuhröffnung 8 mit einer im Gehäusemantel 4 geformten Kammer 14 in Verbindung, die das Kraftstoff-Luft-Gemisch speichert.

In der Kammer 14 ist ein Stößel 15 angeordnet der durch eine Nockeneinrichtung 16,17 (Fig.3) auf- und abbewegbar ist wobei die Nockeneinrichtung mit dem Rotor 1 funktionsmäßig verbunden und in Abhängigkeit von dessen Stellung derart verschiebbar ist daß das Kraftstoff-Luft-Gemisch aus der Kammer 14 in die Aussparung 8 selektiv gedrückt wird, wenn sich die Aussparung an der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 befindet Der Stößel 15 ist mit der Nockeneinrichtung 16,17 über Verbindungsstangen 18 verbunden.

Um eine vollkommene Verbrennung zu bewirken und den Ausstoß von Verunreinigungen zu verhindern, ist die Mantelfläche 6 des Rotors 1, abgesehen von der Aussparung 8 zur Aufnahme des Kraftstoff-Luft-Gemisches, mit einer weiteren Aussparung 28 zur Aufnahme Luft od. dgl. versehen, um das Kraftstoff-Luft-Gemisch zusätzlich zu verdünnen und dieses verdünnte Gemisch vor und nach der Zündung und Verbrennung einzuleiten.

Die zusätzlich eingeführte Luft od. dgl. wird der Aussparung 28 über eine Zufuhröffnnung 31 (Fig.3) zugeführt, die in demjenigen Teil der Wandung 3 der Arbeitskammer 2 vorgesehen ist, in dem der Rotor 1 mit der Wandung 3 Gleitkontakt bildet. Wie die Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 steht auch die Zuführöffnung 31 mit einer Kammer 24 mit einem Kolben 25 in Verbindung, der funktionsmäßig mit dem Rotor t verbunden und in Abhängigkeit von dessen Stellung verschiebbar ist. Die Aussparung 28 ist in dem Rotor 1 an einer derartigen Stelle angeordnet, daß sie keinerlei Verbindung mit der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 hat.

Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel arbeitet folgendermaßen. Gelangt die Aussparung 8 zur Aufnahme des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Mantelfläche 6 des Rotors 1 an die Stelle der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 in der Wandung 3 der Arbeitskammer 2, so drückt der Kolben 15 das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 in die Aussparung 8 und füllt diese dabei mit dem verdichteten Gemisch.

Bei der weiteren Drehung bringt der Rotor 1 die Aussparung 8 an die Stelle der Zündungsöffnung 12, wo das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch die Zündeinrichtung I gezündet wird und als Verbrennungsgas zu expandieren beginnt Das expandierte Verbrennungsgas strömt in die zweite Arbeitskammer 7, wobei jedoch ein

ίο unmittelbarer Austritt durch den Kolbenschieber 9 verhindert wird, was andererseits bewirkt daß das Verbrennungsgas sich in der Arbeitskammer immer mehr ausbreitet und dadurch die Verbrennungsdauer auf das größtmögliche Maß verlängert wird.

Hat der Kolbenschieber 9 die Auslaßöffnung 13 erreicht so beginnt der Ausstoß der Verbrennungsgase, wobei mit dem Ende des Ausstoßes ein Zyklus der Drehkolbenmaschine beendet ist

Innerhalb des Bereichs des Gleitkontaktes zwischen dem Rotor 1 und der Wandung 3 wird in dem oben beschriebenen Zyklus zusätzlich Luft od. dgl. über die Zuführöffnung 31 in die Aussparung 28 eingeleitet die, wie aus F i g. 3 klarer ersichtlich, von der Aussparung 8 getrennt ist. Gelangt die Aussparung 28 an die Stelle vor oder nach der Zündung und Verbrennung, so wird die zusätzliche Luft od. dgl. in die Arbeitskammer entleert und wirkt auf das expandierte Verbrennungsgas. Falls die zusätzliche Luft in den Raum vor der Verbrennung eingeleitet wird, ist die Aussparung 28 so angeordnet daß sie der Aussparung ε im Zyklus vorauseilt

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht weist die erfindungsgemäße Drehkolbenmaschine beträchtliche Vorteile auf. Insbesondere haben der Rotor 1 und die Arbeitskammer 2 eine derartige strukturelle Beziehung zueinander, daß der Rotor 1 mit seinem genau kreisförmigen Querschnitt über eine bestimmte erforderliche Länge seiner Mantelfläche 6 in Gleitkontakt mit demjenigen Teil der Wandung 3 der Arbeitskammer 2 steht der die gleiche Abmessung wie der Rotor 1 aufweist während der übrige Teil der Wandung eine größere Abmessung hat als der Rotor 1, so daß eine zweite Arbeitskammer 7 entsteht in der sich der jeweils übrige Teil der Mantelfläche 6 des Rotors 1 gegenüber der Wandung 3 stets außer Gleitkontakt befindet Der Aufbau ist also in der Form einfach und gewährleistet eine einwandfreie und ruhige Drehung, da der Rotor nicht für exzentrische Drehung bestimmt ist.

Da die Aussparung 8 zur Aufnahme des Kraftstoff-Luft-Gemisches so angeordnet ist daß sie mit der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 an derjenigen Stelle in Verbindung tritt, an der sich der Rotor 1 in Gleitkontakt mit der Wandung 3 der Arbeitskammer 2 befindet um das Gemisch in die Aussparung 8 zu leiten, kann das Gemisch während der Drehung des Rotors wirksam und nach außen hermetisch dicht zugeführt werden.

Die Aussparung 8, die in einem Teil der Mantelfläche 6 des Rotors vorgesehen ist, tritt ferner leicht mit der in der Wandung 3 vorgesehenen Zündungsöffnung 12 in Verbindung. Die Aussparung 8 tritt mit der zweiten Arbeitskammer 7 in Verbindung, wenn sie mit dem Rotor 1 gegenüber der Wandung 3 außer Kontakt gehalten ist Auf diese Art und Weise arbeitet der umlaufende Rotor 1 selbst als eine Art von Ventil, so daß sich die V.-rwendung komplizierter Ventileinrichtungen erübrigt und sich eine Vereinfachung des Gesamtaufbaus der Drehkolbenmaschine ergibt. In ähnlicher Weise arbeitet der Rotor 1 mit dem in ihm angeordneten Kolbenschieber 9 infolge seiner Drehung

auch für die Auslaßöffnung 13 als Ventil.

Anders als bei herkömmlichen Maschinen mit hin- und hergehenden Kolben wird die Zündungsöffnung erfindungsgemäß nicht über eine wesentliche Zeitspanne dem kalten Kraftstoff-Luft-Gemisch ausgesetzt und kann daher bei Verwendung eines wärmespeichernden Materials im rotglühenden Zustand gehalten werden. Infolgedessen wird eine elektrische Zündung nur in der Anfahrstufe benötigt. Darüber hinaus läßt sich ein piezoelektrisches Element wirksam verwenden, wenn auch dessen Lebensdauer begrenzt sein mag.

Dadurch, daß die Aussparung 28 in der Mantelfläche 6 des Rotors 1 getrennt von der Aussparung 8 zur Aufnahme des Gemisches angeordnet ist, um zusätzliche Luft od. dgl. zur Verdünnung des Kraftstoff-Luft-Gemisches aufzunehmen und vor oder nach der Verbrennung anzugeben, ist es möglich, ein Kraftstoff-Luft-Gemisch hoher Konzentration trotz seiner Unterbringung in der Aussparung 8 zu verbrennen, ohne daß Kohlenmonoxid oder Kohlenwasserstoffe übrig bleiben.

Da sich ferner erfindungsgemäß die zu zündende Menge an Kraftstoff-Luft-Gemisch reduzieren läßt, können Stickstoffoxide, die sich bei hoher Temperatur bilden, auf ein Minimum herabgesetzt werden, wodurch eine vollständige Verbrennung gefördert und Abgase, die Luftverschmutzung nach sich ziehen, beseitigt werden.

Es ist ferner möglich, in die Aussparung 28 Wasser, Alkohol od. dgl. einzuleiten, um den sich ergebenden Wasserdampf auszunützen oder den aus der Zerlegung des Wassers entstehenden Wasserstoff und Sauerstoff für die Nachverbrennung zu verwenden. Bei der erfindungsgemäßen Drehkolbenmaschine kann also die aus der Verbrennung stammende Energie unterstützt und in wirksamer Weise nutzbar gemacht werden. Wie bei der Aussparung 8 dient der Rotor 1 selbst auch für die Aussparung 28 als Ventil, da auch diese Aussparung in der Mantelfläche 6 des Rotors geformt ist, wodurch sich für die Zuführung der Sekundärluft ein Aufbau ergibt, der wesentlich einfacher ist als bei konventionellen Konstruktionen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 wird durch die Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 über eine Zufuhrleitung 40 Luft eingeführt Zwischen der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 und der Zündungsöffnung 12 ist in der Umwandung 3 eine Kraftstoff-Einspritzöffnung 50 vorgesehen. Die Aussparung 8 im Rotor 1 ist so angeordnet, daß sie zuerst die Stelle der Arbeitsmittelzufuhröffnung 11 und dann die der Kraftstoff-Einspritzöffnung 50 erreicht, so daß Luft und Kraftstoff nacheinander zur Erzeugung eines Kraftstoff-Luft-Gemisches in die Aussparung 8 eingeleitet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.5 muß ferner der Abstand zwischen der Kraftstoff-Einspritzöffnung 50 und der Zündungsöffnung 12 größer sein als die Breite der Aussparung 8. Die Kraftstoff-Einspritzöffnung 50 und die Zündungsöffnung 12 sind durch geeignete (nicht gezeigte) Nockeneinrichtungen betätigbar.

Gemäß dem Ausrührungsbeispiel nach F i g. 5 weisen zwei in Abstand voneinander befindliche Teile der Wandung 3 der Arbeitskammer 2 die gleiche Kontur auf wie die Mantelfläche des Rotors 1, während die übrigen Teile der Wandung 3 einen größeren Umfang haben als der Rotor 1. Dadurch werden zwei Arbeitskammern 7 gebildet, wo sich die Mantelfläche 6 des Rotors 1 gegenüber der Wandung 3 außer Gleitkontakt befindet. Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist ferner mit zwei in Abstand voneinander angeordneten Aussparungen 8 zur Aufnahme des Kraftstoff-Luft-Gemisches, zwei Aussparungen 28 zur Aufnahme von zusätzlicher Luft, zwei Arbeitsmittelzufuhröffnungen 11, zwei Zündungsöffnungen 12, zwei Auslaßöffnungen 13, zwei Zuführöffnungen 31 und zwei Kolbenschieber 9 versehen, so daß eine Anordnung erzielt wird, bei der

ίο vier Zündungen und Verbrennungen während einer Umdrehung des Rotors 1 stattfinden.

In dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 ist koaxial zu dem Rotor 1 ein zweiter Rotor in einer zweiten Arbeitskammer 2' des Gehäusemantels 4 angeordnet, wobei eine weitere Arbeitsmittelzufuhröffnung 11' mit einer Kammer 14' in Verbindung steht und eine weitere Zündungsöffnung 12' in der Wandung 3' der zweiten Kammer 2' vorgesehen ist. Die beiden Rotoren führen somit jeweils in ihren Arbeitskammern 2, 2' abwechselnd Zündung und Verbrennung durch.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der F i g. 7 ist an dem Rotor 1 ein im wesentlichen V-förmiges drehschwingbewegliches Element 9 vorgesehen. Das herausragende Ende des Elements 9 ist normalerweise durch die Feder 9' ständig in Gleitkontakt mit der Wandung 3 iler Arbeitskammer 2 vorgespannt Der Endabschnitt des Elements 9 kann aus einer Legierung mit hoher Verschleißfestigkeit bestehen.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 läßt sich ferner derart modifizieren, daß in dem Rotor 1, wie er in F i g. 8 gezeigt ist mindestens zwei Aussparungen 8 zur Aufnahme des Kraftstoff-Luft-Gemisches vorgesehen sind, mit denen die strichpunktiert gezeigten Kraftstoff-Einspritzöffnungen 50a jeweils in Verbindung treten.

Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 9 können mindestens zwei Kraftstoff-Einspritzöffnungen 50b vorgesehen sein, die mit einer Aussparung 8 in Verbindung treten, wobei der Kraftstoff abwechselnd durch die beiden öffnungen 50b eingespritzt wird.

Dadurch läßt sich das Einspritzintervall durch jede der Einspritzöffnungen wenigstens verdoppeln. Diese Ausführungsform gewährleistet eine genaue Kraftstoffeinspritzung in richtiger Beziehung zu der Drehung des Rotors, selbst wenn dieser mit hoher Drehzahl läuft

Bei jedem der obengenannten Ausführungsbeispiele ist es möglich, zusätzliche Dichtungseinrichtungen vorzusehen, um den hermetischen Gleitkontakt zwischen dem Rotor 1 und der Wandung 3 zu verbessern. Ferner kann die zentrische Welle 5 des Rotors 1 von hohler Bauart sein, so daß Wasser, Luft oddgL zur leichteren Kühlung des Rotors 1 durch die Welle geleitet werden kann. Ferner kann der Kolben 15 zum Einführen des Gemisches bzw. der Luft durch eine an einen Verdichter od. dgL angeschlossene Druckeinrichtung ersetzt werden. Weiterhin kann die in dei Mantelfläche 6 des Rotors 1 vorgesehene Aussparung S mit einer hitzebeständigen gesinterten Auskleidung versehen sein, die durch geeignete Mittel an dei Aussparung angebracht ist, um die Aussparung 8 mil einer besseren Wänne-Isolationsfähigkeit zu versehen dadurch die Wärmespeicherwirkung der Aussparung t auszunützen und das Kraftstoff-Luft-Gemisch durch Wärmespeicherung zu zünden, sobald die Maschine läuft

Hierzu S Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem innerhalb eines Gehäusemantels exzentrisch angeordneten, sich drehenden Rotor, welcher mindestens einen nach außen bewegbaren, an der Mantelinnenwandung anliegenden Leistungsteil sowie mindestens eine diesem nacheilende Aussparung zur Aufnahme des Arbeitsmediums aufweist und dessen Umfangskontur mit einem Teilbereich der Gehäusemantelinnenwandung übereinstimmt und in gleitender Berührung mit dieser steht, wobei in diesem Teilbereich Arbeitsmittelzuführ- sowie Zündeinrichtungen und im übrigen Teilbereich eine Auslaßöffnung vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsmittelzuführeinrichtung das Arbeitsmittel verdichtet und anschließend in die Aussparung (8) des Rotors drückt und daß mindestens eine weitere Aussparung (28) axial versetzt vorgesehen ist, die jeweils von einer weiteren Arbeitsmittelzuführeinrichtung (24, 23,31) gespeist wird.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Arbeitsmittelzuführeinrichtung eine Kammer (24) zur Aufnahme einer vorgegebenen Menge des Arbeitsmittels sowie einen Kolben (25) zum Ausdrücken des Kammerinhalts in die weitere Aussparung (28) umfaßt

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (25) über eine Nockeneinrichtung (16,17) vom Rotor (1) antreibbar ist.

4. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weiteren Aussparung (28) bzw. den weiteren Aussparungen (28) Luft, A'kohol oder Wasser zuführbar ist.