DE2433581C2 - Innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoiden-Bauart mit Kämmeingriff zwischen einem beidseitig von Gehäuseseitenteilen begrenzten, Arbeitskammern umschließenden mehrbogigen Gehäusemantel mit Dichtleisten in seinen achsnahen Zonen und einem Kolben, dessen Umfang achsnahe Zonen mit abwechselnden Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen aufweist, die über im Kolben befindliche Kanäle mit Ein- und Auslaßöffnungen verbunden sind, die sich in den Stirnwänden des Kolbens befinden und sich periodisch mit in wenigstens einem Seitenteil befindlichen Einlaß- bzw. Auslaß-Mündungsöffnungen decken.

Eine derartige Rotationskolben-Brennkraftmaschine ist aus der DD-PS 59 976 bekannt. Die Lade- und Spülvorgänge sind bei dieser Maschine im Zeitablauf ausschließlich durch die Lage der Ein- und Auslaßkanäle im Kolben in bezug auf die Radialdichtungen steuerbar. Hierdurch ergeben sich die für Rotationskolbenmaschinen üblichen hohen Abgastemperaturen, die den thermischen Wirkungsgrad beeinträchtigen und zur Erhöhung bestimmter Schadstoffanteile führen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art die Energieausbeute zu verbessern und gleichzeitig die Schadstoffanteile im Abgas zu vermindern. Die Lösung hierfür besteht darin, daß im Kolben Umladekanäle vorgesehen sind, die einerseits in am Kolbenumfang befindliehen Überströmöffnungen und andererseits in in einer Kolbenstirnwand befindlichen Steueröffnungen enden, die sich periodisch mit im entsprechenden Seitenteil angeordneten Mündungsöffnungen von Verbindungskanälen decken, derart, daß einer Verdichtungskammer jeweils kurz vor der Brennstoffeinspritzung Luft entnommen und diese einer Expansionskammer zugeführt wird.

Im Falle eines reinen Dieselverfahrens wird durch die Luftentnahme gegen Ende des Verdichtungstaktes die

ίο Luftmenge im Arbeitsraum so weit reduziert, daß die sich anschließende Verbrennung zunächst unter Luftmangel erfolgt Während der Expansion wird dann von einem anderen Arbeitsraum, der im Verdichtungstakt steht, ein Teil der verdichteten Luft zugeführt, so daß die abschließende Verbrennung unter Luftüberschuß erfolgt Bei der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine verlaufen beide Verbrennungsstufen jeweils im gleichen Arbeitsraum hintereinander. Sie wiederholen sich zyklisch aufeinanderfolgend in allen Arbeitsräumen.

Dabei ist die Hubraumausnützung optimal. Es sind keine zusätzlichen Kompressoren erforderlich, und die Luftumladung erfoigt mit einfachen seibststeuernden Mitteln, die den Bauaufwand nur geringfügig vergrößern.
Durch die DE-OS 23 23 608 ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine bekannt, bei der nach der Verbrennung unter Luftmangel die voll expandierten Verbrennungsprodukte unter Beimischung von Sekundärluft einem weiteren Arbeitsraum zugeführt werden, in dem sie bis zur Selbstzündung erneut verdichtet werden und beim Expandieren weitere Leistung an die Welle abgeben. Die Sekundärluft wird in dem Maße beigemischt, daß sich für das Gesamt-Luft-Brennstoff-Verhältnis eine schwachmagere Mischung einstellt. Man erreicht dadurch eine gute Abgasqualität. Allerdings erfordert die Bereitstellung der Sekundärluft zusätzliche Förder- und Mischungseinrichtungen und das gesamte Arbeitsgas muß für jede Verbrennungsstufe in einen anderen Arbeitsraum umgelagert und jedesmal wieder voll verdichtet werden. Das gesamte Arbeitsgas durchläuft dabei in jeder Verbfennungsstufe in getrennten Arbeitsräumen je einen vollen Viertakt-Arbeitsprozeß. Die halbe Anzahl von Arbeitsräumen ist ausschließlich für die erste Verbrennungsstufe vorgesehen und die andere Hälfte ausschließlich für die zweite Verbrennungsstufe.

Es ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einer Einrichtung zur Verringerung der Schadstoffen teile im Abgas aus der DE-OS 22 11 655 bekannt. Diese besteht jedoch aus e'nem nachgeschalteten Abgasreiniger, dem periodisch, von einem Ventil gesteuert, Luft aus einer Verdichterkammer zur Nachverbrennung zugeführt wird. Der Vorteil der ventillosen Steuerung von Rotationskolbenmaschinen wird damit aufgegeben. Der Abgasreiniger vergrößert den Bauaufwand nochmais.

Weiterhin ist eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem Überströmkanal von einem ersten in einen zweiten Arbeitsraum für verlängerte Expansion und mit einem Frischluftkanal zum zweiten Arbeitsraum zur Abgasreinigung durch die US-PS 36 88 749 bekannt. Hierbei wird jedoch in einem koaxialen Rotationskolben-Verdichter die Ladeluft vorverdichtet, wodurch der Bauaufwand erhöht ist. Durch die funktionsmäßige Festlegung einzelner Arbeitsräume als Verdichtungs- und Expansionskammern infolge gehäusefester Gaswechselkanäle ergeben sich eine ungleiche Temperaturverteilung und Strömungsverluste beim Überschieben der gesamten Lademenge zwischen den Kammern.

Um die Zeiten zu verlängern, in denen sich die Zweistufenverbrennung abspielen kann, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Kolben eine durch drei teilbare Anzahl von zwischen zwei benachbarten achsnahen Zonen gelegenen Bögen aufweist, von denen jeder dritte zwecks Verlängerung des Expansionstaktes einen sich in Umfangsnchtung erstreckenden Überströmkanal aufweist Dadurch verbleibt für die langsamer ablaufenden Endreaktionen mehr Zeit, so daß das Abgas weniger schädliche Bestandteile enthält und der Wirkungsgrad des Arbeitsprozesses durch die verlängerte Expansion verbessert wird.

In der Abbildung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt

A b b. 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 auch die folgende Abbildung, schematisch gehalten und zeigt unter Weglassung konstruktiver Details lediglich die Merkmaie, die zum Verständnis der Erfindung erforderlich sind.

A b b. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab einen Schnitt im Bereich der Linie H-II in Abb. 1. Ferner ist die Kontur des Kolbens mit dünnen Linien und sind die Projektionen der Einlaß-, Auslaß-, Umlade- und Überströmkanäle mit den zugehörigen Steueröffnungen gestrichelt eingezeichnet.

A b b. 3 zeigt einen Schnitt entsprechend A b b. 2 mit geänderter Ausführung der äußeren Axialdichtung.

Die dargestellte Brennkraftmaschine ist eine innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit Kämmeingriff, die nach einem Sechstaktverfahren arbeitet, bei dem sich die Expansion in zwei Arbeitsräumen über zwei Takte, d. h. während zweier halber Umdrehungen der Exzenterwelle vollzieht. Sie weist zwei Kolben 1 und 2 auf (A b b. 1), die auf einem gemeinsamen Exzenter 3 der Exzenterwelle 4 gelagert sind und deren Querschnittskontur 5 (Abb. 2) durch eine sechsbogige Epitrochoide bestimmt ist

Die Exzenterwelle 4 ist in einem Gehäuse gelagert, das im wesentlichen aus Seitenteilen 6, 7, 8, 9 und die Kolben 1 und 2 umgebenden Mänteln 10 und 11 besteht Die innere Querschnittsbegrenzung 12 (Abb. 2) der Mäntel 10 und 11 ist durch die äußere Hüllkurve der Querschnittskontur 5 der Kolben 1 und 2 bestimmt. Durch die angegebenen geometrischen Formen läßt sich die Anzahl der Bögen 14, zwischen denen achsnahe Zonen 13 liegen, je Kolben 1 und 2 durch drei teilen. Jeder dritte Bogen 14 ist sowohl mit Einlaßsteueröffnungen 15 als auch mit Auslaßsteueröffnungen 16 versehen, 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.

Die Seitenteile 7 und 8 sind zu einem Bauteil vereinigt und bilden einen Sammelraum 25, der gegenüber dem Exzenter durch eine die Kolben 1 und 2 verbindende Hülse abgedichtet ist. Die Hülse ist so stark ausgebildet, daß sie zum Ausgleich des Drehmomentes der beiden Kolben 1 und 2 dient. 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 Bahnkurve von einer inneren Axialdichtung 29 umgeben wird. Arbeitsräume 33 werden durch die Umfangsfläche der Kolben 1 und 2, die innere Fläche der Mäntel 10 und 11 und die entsprechenden Bereiche der Seitenteile 6, 7, 8 und 9 gebildet, die gegeneinander durch an den Mänteln 10 und 11 angeordnete radiale Dichtleisten 34 sowie in den Seitenteilen 6, 7, 8 und 9 angeordnete Axialdichtungen 29 und 35 bzw. 36 (A b b. 3) abgedichtet werden. Bei der Drehung der Kolben 1,2 werden in der durch einen Pfeil 43 (A b b. 2) angegebenen Richtung beide Mündungsöffnungen 41 und 42 in den Seitenteilen 7 und 8 von Steueröffnungen 44 zugehöriger Umladekanäle 45 überlaufen, die in der Stirnfläche 23 bzw. 24 der Kolben 1 und 2 liegen. Die mit 46 bezeichnete Bahnkurve des Mittelpunktes der Steueröffnungen 44 ist punktiert in A b b. 2 eingezeichnet. Wie diese Abbildung zeigt, liegen die Mündungsöffnungen 41 und 42 in bezug auf den oberen Totpunkt in der Bahnkurve 46 so, daß die Mündungscffnungen 41 von den Steueröffnungen 44 vor dem oberen Totpunkt der Ko'-.^n 1 und 2. also während der Verdichtung, und die Mund :ngsöftnungen 42 nach dem oberen Totpunkt, also während der Expansion, überlaufen werden. Dabei sind jeweils zwei Mündungsöffnungen 41 und 42 durch gehäusefeste Verbind:ngskanäle 30 und Leitungen 31, die in vorteilhafter Weise zur Vermeidung von Wärmeverlusten durch den Sammelraum 25 führen, so miteinander verbunden, daß Arbeitsräumen 33 während der Verdichtung bei höherern Druck Verbrennungsluft entnommen und anderen Arbeitsräumen 33 während der Expansion bei niedrigerem Druck zugeführt wird. Die Mündungsöffnungen 41 und 42 sind von ringförmigen axialen Dichtungen 35 umgeben, die über Dichtbolzen 47 an die innere Axialdichtung 29 und an die radialen Dichtleisten 34 angrenzen.

Dem Bogen mit den Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen 15 und 16 voreilend ist ein Kolbenbogen mit einem Überströmkanal 37 vorgesehen, der zum Arbeitsraum 33 hin bis auf zwei endseitige Öffnungen 38 im Bereich der achsnahen Zonen abgedeckt ist

D/e Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Rotationskolben-Brennkraftmaschine ist folgende. Durch Ansaugleitungen 32 an den Seitenteilen 6 und 9 wird über Zuführungskanäle 39, Einlaßöffnungen 19, Einlaßkanäle 17 und Einlaßsteueröffnungen 15 bei der Volumenzunahme der entsprechenden Arbeitsräume 33 Frischluft angesaugt Überläuft die Steueröffnung 15 die in Drehrichtung nächstgelegene Leiste 34, ist der Ansaugtakt beendet. Während der weiteren Umdrehung des Kolben=·, wird die Frischluft in dem Arbeitsraum 33 verdichtet, bis der Umladekanal 45 mit seiner stirnseitigen Steueröffnung 44 die Mündungsöffnrng Ά überläuft und über seine Überströmöffnung 40 am Umfang des Kolbens die Verbindung zu den gehäusefesten Verbindungskanälen 30 und Leitungen 31 herstellt, so daß verdichtete Luft in einen im Expansionstakt stehenden Arbeitsraum mit geringerem Druck geleitet .vird. Danach wird bis zur oberen Totpunktstellung des Kolbens weiter verdichtet, in dessen Bereich die Zündung entweder durch Selbstzündung des kurz zuvor eingespritzten Kraftstoffes oder durch eine Zündhilfe erfolgt. Die Einspritzvorrichtung, in deren Nähe auch eine nicht näher dargestellte Zündhilfe angeordret werden kann, ist mit 48 bezeichnet.

Die mit der Zündung einsetzende Verbrennung verläuft zunächst unter Luftmangel. Bei weiterer

Drehung des Kolbens überläuft die Steueröffnung 44 nach Überschreiten des Punktes der Bahnkurve 46, der der Totpunktlage des Kolbens entspricht, die Mündungsöffnung 42. Hierbei wird dem Arbeitsraum ein Volumen verdichteter Luft zugeführt, das einem anderen, im Verdichtungstakt stehenden Arbeitsraum bei höherem Druck entnommen wird. Die sich nun anschließende Verbrennung erfolgt infolge der Zusatzluft mit Luftüberschuß.

Nach einer bestimmten Volumenvergrößerung des Arbeitsraumes 33 überläuft eine öffnung 38 die in Drehrichtung des Kolbens nächstgelegene Radialdich-

tung 34, wodurch der im Expansionstakt befindliche Arbeitsraum mit dem in Drehrichtung des Kolbens zurückliegenden Arbeitsraum 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, in dem der Arbeitstakt mit dem Überlaufen der in Drehrichtung nächstgelegenen Dichtleiste 34 durch eine Einlaßsteueröffnung 15 beginnt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoiden-Bauart mit Kämmeingriff zwischen einem beidseitig von Gehäuseseitenteilen begrenzten, Arbeitskammern umschließenden mehrbogigen Gehäusemantel mit Dichtleisten in seinen achsnahen Zonen und einem Kolben, dessen Umfang achsnahe Zonen mit abwechselnden Einlaß- und Auslaßsteueröffnungen aufweist, die über im Kolben befindliche Kanäle mit Ein- und Auslaßöffnungen verbunden sind, die sich in den Stirnwänden des Kolbens befinden und sich periodisch mit in wenigstens einem Seitenteil befindlichen Einlaß- bzw. Auslaßmündungsöffnungen decken, gekennzeichnet dadurch, daß im Kolben (1,2) Umladekanäle (45) vorgesehen sind, die einerseits in am Kolbenumfang befindlichen Überströmöffnungen (40) und andererseits in in einer Kolbenstirnwand befindlichen Steueröffnungen (44) enden, die sich periodisch mit im entsprechenden Seilenieil angeordneten fvfündungsöffnungen (41, 42) von Verbindungskanälen (30) decken, derart, daß einer Verdichtungskammer (33) jeweils vor der Brennstoffeinspritzung Luft entnommen und diese einer Expansionskammer (33) zugeführt wird.

2. Innen- und parallelachsige Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (1, 2) eine durch 3 teilbare Anzahl von zwischen zwei benachbarten achsnahen Z-nen (13) gelegenen Bögen (14) aufweist, von denen jeder drit*^ zwecks Verlängerung der Expansion einen sich in Umfangsrichtung erstreckenden Überströmkanal (3?) aufweist.