DE2536282A1 - Rotationsmotor - Google Patents

Description

Patentassessor Hamburg, den 9.7·1975

Dr. Gerhard Schupfner «y/

Deutsche Texaco AG uw/sg

2000 Hamburg 13

Mittelweg 180 T 75 037 (D 74,381-F)

TEXACO DEVEIjOPMENT CORPORATION 135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017 U.S.A.

ROTATIONSMOTOR

Die Erfindung betrifft einen Rotationsmotor, der aus einem Gehäuse mit Trochoiden-Lauffläche, einander gegenüberliegenden Einschnürungen in der Gehäusewandung, einem Rotationskolben mit Kompressionsleisten an den Endpunkten der dreiteiligen Kolbenfläche und einem Planetengetriebe zur Übertragung der Rotationsbewegung auf eine Antriebswelle besteht.

Die Eigenschaften derartiger Rotationsmotoren vom Wankel-Typ sind allgemein bekannt. Die relativ einfache Konstruktion ermöglicht im Vergleich zu den üblichen Kolbenmaschinen ein geringes Gewicht und reduzierte äußere Abmessungen. Durch die gleichförmige Kolbendrehrichtung wird ein weicher, vibriationsarmer Lauf und damit eine geringe Schwingbelastung des Rotationsmotors bewirkt. Diese Vorteile haben den Rotationsmotor zu einem wirtschaftlich interessanten Leistungsaggregat gemacht.

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Die Nachteile des Rotationsmotors liegen in dem relativ hohen Brennstoffverbrauch, der bei Kraftfahrzeugen über den gesamten Betriebsbereich festzustellen ist. Auch werden bei den üblichen Rotationsmotoren große Mengen an schädlichen Abgasen, wie HC und CO, als Verbrennungsrückstände freigesetzt. Eine Reduzierung dieser schädlichen Abgasmengen auf zulässige Werte .macht ein relativ kompli-' ziertes Steuerungssystem erforderlich.

Wie fast alle Brennkraftmaschinen ist der Rotationsmotor auf bestimmte Kraftstoffqualitäten angewiesen. Zur Herstellung eines leicht zündfähigen Kraftstoffgemisches mit der richtigen stoichiometrischen Zusammensetzung muß der Kraftstoff in der Vergasereinrichtung aufbereitet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine größere Zahl von verschiedenen Brennstofftypen und Kraftstoffqualitäten für den Betrieb von Rotationsmotoren einzusetzen. Insbesondere soll ein Brennstoff mit geringer Oktan- oder Cetanzahl verwendbar sein. Der Kraftstoffverbrauch und die Menge der schädlichen Abgase sollen herabgesetzt werden, so daß die Wirtschaftlichkeit und die Einsatzmöglichkeit der Rotationsmotoren verbessert wird.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht im wesentlichen in der besonderen Ausführung des Rotationskolbens und der besonderen Art der Einspritzung. Der Rotationskolben hat eine dreiflächige Oberfläche, die an den Endpunkten mit Kompressionsleisten versehen ist und die rotierende Bewegung über ein Planetengetriebe auf eine Antriebswelle überträgt. Jede Seite der Kolbenoberfläche ist zur Gehäusewand des Rotationsmotors gewölbt und mit einem eingeformten Verbundraum mit zwei vertieften Aussparungen versehen.

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Während der Einlaßperiode wird Luft oder eine geeignete Mischung von Luft und brennbaren Bestandteilen, z. B. im Kreislauf geführtes Abgas, in den Rotationsmotor eingespeist. Während des Verbrennungstaktes wird Brennstoff in die erste Aussparung des Verbundraumes eingespritzt. So entsteht in der ersten Aussparung eine brennstoffreiche Mischung, die sofort gezündet wird. Der Expansionsdruck schiebt die Flammenfront in die zweite Aussparung und zündet dadurch eine darin befindliche magere Brennstoffmischung. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Rotationsmotor besteht in der Verringerung der schädlichen Abgasmenge, insbesondere der Stickstoffoxide, die im vorliegenden Verfahren durch vollständige Verbrennung der brennstoffreichen Anfangsmischung in wesentlich geringerer Menge auftreten. Die Zündung der brennstoffreichen Ausgangsmischung ermöglicht den Einsatz von minderen Kraftstoffqualitäten. Die nachfolgende Flammentzündung des brennstoffarmen Gemisches reduziert den Gehalt an HC und CO im Abgas auf einen akzeptablen Wert.

Neben diesem sauberen und umweltfreundlichen Betriebsverhalten bietet der erfindungsgemäße Rotationsmotor einen hohen Wirkungsgrad. Durch die Einspeisung von magerem Brennstoff-Luftgemisch wird ein sehr wirtschaftliches Betriebsverhalten ermöglicht.

Die zweistufige Verbrennung erlaubt es, Kraftstoffe mit niedrigen Oktan- oder Cetanwerten zu verwenden und trotzdem einen weichen, vibrations- und klopffreien Umlauf des Rotationskolbens zu erzielen.

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Im folgenden wird die Erfindung anhand von sechs Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch den erfindungsgemaßen Rotationsmotor

Fig. 2 einen Teilquerschnitt aus Fig. 1 entlang der Achse AA in Fig. 4

Fig. 3 einen Teilquerschnitt entsprechend Fig. 2 entlang der Achse BB in Fig. 4-

Fig. 4- einen Querschnitt durch den Rotationskolben entlang der Linie CC aus Fig. 3

Fig. 5 und 6 Querschnitte entsprechend Fig. 4· mit veränderter Rotationskolbenform

In Fig. 1 ist ein Rotationsmotor 10 mit Gehäuse 11 und Trochoiden-Lauffläche 12 gezeigt. Sofern mehrere Einheiten des Rotationsmotors zu einem Mehrkolbenmotor zusammengefaßt werden sollen, kann eine Serienschaltung mehrerer Rotationsmotoren entlang der gemeinsamen Antriebswelle 13 erfolgen.

Ein dreiflächiger Rotationskolben 14· steht mit der Antriebswelle 13 über einen Planetengetriebe in Verbindung. Bei einem Mehrkolbenmotor ist jede Einheit durch eine Zwischenwand von der benachbarten abgetrennt, so daß - ebenso wie bei einem Einkolbenmotor - seitliche Dichtleisten 7» 8, 9 am Rotationskolben 14- vorgesehen sind. Diese Dichtleisten bewirken bei Rotation des Kolbens 14- eine dynamische Abdichtung der Verbrennungsräume .

Das Gehäuse 11 ist durch zahlreiche Kühlkanäle 15 durchbrochen. Das Kühlmedium wird in bekannter Weise durch Wärmeaustausch mit Luft auf eine bestimmte Temperatur gehalten.

Durch einen Lufteinlaß 16 wird normalerweise reine Luft in den Verbrennungsraum angesaugt. Der Brennstoff kann entweder nach Zerstäubung über Ansaugkanal 18 oder durch

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Direkteinspritzung über Einspritzdüse 17 in den Verbrennungsraum eingebracht werden.

Der Einlaß 16 steht mit einem Ansaugrohr 18 in Verbindung, so daß Luft in den 'Ansaugraum 22 gelangt, wenn der Rotationskolben 14 den Einlaß 16 freigibt. Die Verbrennungsluft kann durch Zugabe von Abgas oder einem verbrennungsfördernden Medium bzw. einem Gemisch aus Abgas und diesem Medium aufbereitet werden.

Der Verbrennungstakt im Rotationszyklus wird durch eine Zündkerze 19 eingeleitet. Die Zündkerze ragt in eine Zündkammer 21 hinein, die über eine enge Einspritzöffnung 24 mit dem Verbrennungsraum in Verbindung steht. Die enge Einspritzöffnung in der Lauffläche 12 soll verhindern, daß beim Darübergleiten der Kompressionsleisten 4, 5> 6 ein Gasaustausch zwischen den Kammern des Rotationsmotors erfolgen kann. Die Zündkerze ist an ein geeignetes Zündsystem angeschlossen, das während des Verdichtungstaktes einen Zündfunken für das Luftbrennstoffgemisch bereitstellt.

Fig. 2 und 3 zeigen den Rotationskolben 14 im Querschnitt, wobei die Querschnittsebenen in einem bestimmten Abstand voneinander entlang der Linie KL bzw. Sl der Fig. 4 verlaufen. In die Kolbenoberfläche 30 des Rotationskolbens sind Aussparungen 27 und 28 eingebracht. Durch eine Einschnürung 3 in der Trochoiden-Lauffläche wird bei einer bestimmten Stellung des Rotationskolbens 14 der Verbrennungsraum über der Kolbenoberfläche 30 in zwei Teilverbrennungsräume 25a und 25b getrennt. Diese Stellung wird genau dann von dem Rotationskolben 14 eingenommen, wenn der Steg zwischen den beiden Aussparungen 27 und 28 unter der Einschnürung 3 der Trochoiden-Lauf fläche 12 hindurchläuft. Dann steht der Teilverbrennungsraum 25a und die Aussparung 27 einerseits und der Teilverbrennungsraum 25b sowie Aussparung 28 andererseits nur über die Verbindungskanäle 31 bzw. 31' (Fig. 4) in Verbindung.

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Das Einspritzsystem des Rotationsmotors umfaßt eine Brennstoffeinspritzdüse 17» die mit einer nicht dargestellten Brennstoffpumpe und einem Brennstofftank verbunden ist. In Abhängigkeit von der Belastung des Rotationsmotors wird eine bestimmte Brennstoffmenge in den Verbrennungsraum 20 eingespritzt, der sich aus den Teilverbrennungsräumen 25a, b und den Aussparungen 27 und 28 zusammensetzt.

Die Einspritzdüse 17 mündet in die Zündkammer 21, in die gleichzeitig die Zündkerze 19 hineinragt. Durch diese Anordnung kann der eingespritzte Brennstoff sofort nach Eintritt in den Verbrennungsraum und nach Bildung eines zündfähigen Gemisches durch Kontakt mit Luft gezündet werden.

In Fig. 4- sind noch einmal die Aussparungen 27 und 28 gezeigt, die zusammen einen Verbundraum 26 bilden. Auf diese Weise sind in jede der Kolbenoberflächen 30 eine Mehrzahl von verhältnismäßig flachen Aussparungen eingebracht, wobei die Herstellung dieser Aussparungen entweder durch Zerspanung oder durch Gießen erfolgt. Vorzugsweise besteht der Verbundraum 26 aus einer ersten und zweiten, benachbarten Aussparung 27 und 28, die sich symetrisch entlang der Längsachse der Kolbenoberfläche JO erstrecken. Die Ecken und Kanten der Aussparungen 27, 28 sind abgerundet und "weich" geformt, um das Durchtreten des Luftstromes und der Flammenfront zu erleichtern.

Die erste Aussparung 27 liegt unterhalb der Düsenöffnung 29 und kann direkt von dem austretenden Düsenstrahl bestrichen werden. Der Brennstoffstrahl wird daher unter Druck in die Aussparung 27 und in den Verbrennungsraum 20 eintreten, wobei er sich mit komprimierter Luft vermischt, die sich in den Verbrennungsraum befindet. Dadurch wird eine brennstoffreiche Mischung hergestellt, die sofort gezündet wird. Eine Flammenfront schreitet dann durch Aussparung 27 und Teilverbrennungsraum 25a bis zu den verengten Verbindungskanälen 3I und 31' fort, wobei der Druck durch expandierendes Gas weiter

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erhöht wird.

Für den Fall,daß Brennstoff nur in die Aussparung 27 eingespritzt wird,wird die Einspritzung bis zum Ende des Kompressionstaktes zurückge-/ flach einem anderen Verfahren kann ein mageres Brennstoff-Luftgemisch in den Kompressionsraum -während des Ansaugtaktes eingespritzt werden. Diese Mischung ist auch nach Kompression nicht durch Zündfunken entflammbar.

Die bereits beschriebene Flammenfront gelangt durch im wesentlichen parallele Kanäle 31 und 31' in die zweite Aussparung 28, in der eine schwach angereicherte oder brennstofffreie Atmosphäre enthalten ist. Obwohl die angereicherte Atmosphäre unter normalen Bedingungen nicht zündfähig ist, wird sie durch die fortschreitende Flammenfront sofort gezündet.

Durch diese Anordnung der Brennräume erfolgt die Zündung kontrolliert. Dadurch wird eine vollständigere Verbrennung erreicht und die Umweltverschmutzung herabgesetzt, die besonders bei unvollständiger Verbrennung auftritt.

Um den Verbrennungsgrad der gesamten Brennstoff-Lufteinspeisung zu erhöhen, wird die Einspritzperiode und der Zündzeitpunkt in Abhängigkeit von der Position des Rotationskolbens 14 genau eingestellt. In der in Fig. 2 und 3 gezeigten Position des Rotationskolben 14 ist der Zündzeitpunkt gerade erreicht, wobei in der ersten Aussparung 27 im wesentlichen eine brennstoff reiche Mischung, dagegen in der zweiten Aussparung 28 ausschließlich Luft oder ein mageres Brennstoff-Luftgemisch enthalten ist.

In dem Fall, daß ausschließlich Luft durch den Einlaß 16 während der Einlaßperiode angesaugt wird, kann eingeringer Brennstoffzufluß schon frühzeitig während des Kompressionstaktes in die- Verbrennungskammer erfolgen. Danach wird der Hauptanteil

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bzw. ein wachsender Anteil des Brennstoffstromes direkt in die Aussparung 27 gespritzt, um die gewünschte brennstoffangereicherte Mischung zu erzielen. Der Zeitpunkt dieser Einspritzung liegt etwa in der Mitte des Verbrennungstaktes. Die magere und die angereicherte Brennstoffluftmischung kann durch eine einzige, einstellbare Einspritzdüse oder durch mehrere Einspritzdüsen hergestellt werden.

Entsprechend der üblichen Verfahrensweise bei Rotationsmotoren streicht die vordere Spitze des Rotationskolben 14 nach dem Verbrennungs- und Expansionstakt über den Auslaß 32 und gibt damit den Abgasweg für das verbrannte Treibstoff-Luftgemisch frei. Die Abgase können entweder direkt in die Atmosphäre ausgestoßen oder zur weiteren Behandlung bzw. Rückführung in den Kreislauf abgeleitet werden. Sobald nun die vordere Spitze 4 des Rotationskolben 14 über den Einlaß 16 hinweggleitet, verschließt die - in Drehrichtung gesehene - hintere Spit ze 5 des Rotationskolben 14 den Einlaß 32 bezüglich der rotierenden Kammer zwischen den Spitzen 4 und 5 des Rotationskolbens. In diesem Augenblick tritt frische Luft oder ein Brennstoffgemisch durch Einlaß 16 in die Ansaugkammer 22 ein.

Die Fig. 5 und 6 zeigen die verschiedenen Ausführungsformen der Kolbenoberfläche des Rotationskolbens 14. In Fig. 5 besteht der Verbundraum 36 aus Aussparungen 37 und 38» die mit - in Strömungsrichtung gesehen - divergierenden Kanälen39 und 39' verbunden sind. Durch die divergierende Ausbildung der Kanäle wird ermöglicht, daß die sich in Aussparung 37 ausdehnende Flammenfront beschleunigt wird und sich strahlenförmig in die größere Aussparung 38 ausbreitet. Zur besseren Kanalisierung und Bündelung der verbrennenden Gase ist die Zwischenwand 41 so ausgebildet, daß sie zusammen mit der Aussparung 37 zwei konvergierende Einlasse für die Kanäle 39 und 39' bildet.

In Fig. 6 sind die Aussparungen 43 und 44 durch einen einzelnen Schlitz 46 verbunden. Dieser Schlitz ist gegenüber den Aussparungen 43 und 44 stark verengt und strömungsgünstig abge-

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rundet, so daß die Flammenfront an dieser Stelle auf einen reduzierten Querschnitt zusammengepreßt wird.

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Claims (8)

- ίο - T 75 037 Pat entansprüche

1) Rotationsmotor, bestehend aus einem Gehäuse mit Trochoiden-Lauffläche, einander gegenüberliegenden Einschnürungen in der Gehäusewandung, einem Rotationskolben mit Kompressionsleisten an den Kanten der dreiflächigen Kolbenfläche und einem Planetengetriebe zur Übertragung der Rotationsbewegung auf eine Antriebswelle, dadurch gekennzeichnet , daß jede der drei flächen der Kolbenoberfläche einen Verbundraum aufweist, der aus einer ersten und zweiten, miteinander verbundenen Aussparung und den Innenwänden des Gehäuses (11) gebildet wird,

daß in den Verbundraum je nach der Stellung des Rotationskolbens entweder ein Einlaß (16) zur Eingabe eines Luftgemisches oder

eine Einspritzdüse (17) für die Brennstoffeinspritzung in die erste Aussparung des Verbundraumes sowie eine Zündkerze (19) zur Entzündung des in der ersten Aussparung enthaltenen, brennstoff reichen Gasgemisches mündet,

wobei der Verbrennungsraum durch die Einschnürung in der Gehäusewandung; in zwei Teilverbrennungsräume geteilt ist, die zum Durchtritt der Flammenfront aus der ersten in die zweite Aussparung über einen Durchlaß (31* 39, 4-6) verbunden sind.

2) Rotationsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß sich der Durchlaßquerschnitt der Verbindung zwischen erster und zweiter Aussparung/konisch erweitert.

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3) Rotationsmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Durchlaß zwischen der ersten und zweiten Aussparung aus mehreren, divergierend angeordneten Kanälen besteht, um die ITlammenfront des entzündeteten Gemisches "beim Eintritt in die zweite Aussparung zu verteilen.

4·) Rotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Verbundraum sich über nahezu die gesamte Länge einer Eläche der Kolbenoberfläche erstreckt und durch die Kompressionsleisten an den Spitzen des Rotationskolbens (14-) zu den benachbarten Verbundraumen hin abgedichtet ist.

5) Rotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einspritzsteuereinrichtung zur Abgabe eines mageren Brennstoffgemisches in die zweite Aussparung und zur Abgabe einer angereicherten Brennstoffmischung in die erste Aussparung mit der Einspritzdüse verbunden ist.

6) Rotationsmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß an das Ansaugrohr (18) des Rotationsmotors eine Mischeinrichtung zur Herstellung eines mageren Luft-Brennstoffgemisches angebracht ist.

7) Rotationsmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Auslaß (32) des Rotationsmotors eine Verbindungsleitung (2) zur Ansaugleitung (18) angebracht ist, um einen Teil des Abgases mit dem Ansaugstrom zu vermischen.

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8) Verfahren zur Einspritzung und Zündung des Brennstoffs bei einem Rotationsmotor von der in vorhergehenden Ansprüchen 1 bis 7 beschriebenen Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine kleine Brennstoffmenge in die zweite Aussparung des Rotationskolbens (14-) eingespritzt und

nach Drehung des Rotationskolbens der Brennstoffhauptstrom in die erste Aussparung eingespritzt wird, daß das fette Brennstoffgemisch in der ersten Aussparung durch einen Zündfunken aus der Zündkerze (19) gezündet wird und

darauf das magere Brennstoffgemisch in der zweiten Aussparung durch die sich aus der ersten Aussparung fortbewegende Flammenfront entzündet wird.

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