DE2540702B2

DE2540702B2 - Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung

Info

Publication number: DE2540702B2
Application number: DE2540702A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl.-Ing. 7100 Heilbronn Kroemer
Original assignee: Audi NSU Auto Union AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1975-09-12
Filing date: 1975-09-12
Publication date: 1978-09-28
Also published as: FR2323881B1; DE2540702C3; FR2323881A1; US4100911A; JPS5236207A; GB1547890A; DE2540702A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Maschine ist beispielsweise aus der DE-OS 2502931 bekanntgeworden. Bei dieser Maschine wird von der Kraftstoffzumeßeinrichtung ein armes Kraftstoff-Luftgemisch erzeugt, das durch die Kraftstoffeinspritzung nahe der Zündkerze so angereichert wird, daß in dem nacheilenden Bereich der Brennkammer ein zündfähiges Gemisch vorhanden ist, das von der Zündkerze gezündet werden kann. Da sich die Flammenfront in der Drehrichtung des Kolbens ausbreitet, kann am nacheilenden Ende der Brennkammer unvollständig verbranntes Gas verbleiben, das zu einem erhöhten Anteil von Schadstoffen im Abgas und zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch führt. Die Rückführung dieses unvollständig verbrannten Gases in die nachfolgende Arbeitskammer mittels eines Überströmkanals hat eine Leistungseinbuße zur Folge. Überdies werden solche Überströmkanäle erfahrungsgemäß relativ schnell durch Verbrennungsrückstände verstopft.

Es ist ferner eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine bekannt (DE-OS 2333962), bei der durch die Zuführung eines verhältnismäßig armen Kraftstoff-Luft-Gemisches durch den Einlaßkanal und ein zusätzliches Einblasen eines Kraftstoffdampf-Luft-Gemisches in die Arbeitskammer eine Ladungsschichtung erzielt werden soll. Bei dieser bekannten Ausführung ist vorgesehen, daß die Einspritzung in eine Kolbenmulde des rotierenden Kolbens dann erfolgt, wenn die Mulde der weit vor der zweiten achsnahen Zone angeordneten Zündkerze gegenüberliegt, wobei durch die Kolbenmulde eine Volumen-Quer-Schnittsvergrößerung in Kerzennähe zum Zwecke einer Verlangsamung der Strömungsgeschwindigkeit gebildet wird. Eine Ladungsschichtung bei einer Rotationskolben-Brennkaftmaschine mit ihrem im Querschnitt sichelförmigen Brennraum, bei der das verhältnismäßig magere Kraftstoff-Gemisch stets durch ein der Zündkerze vorgelagertes fettes Gemisch entzündet werden soll, kann unter den angegebenen Voraussetzungen, nämlich Veriangsamung der Strömungsgeschwindigkeit, nicht in allen Lastbereichen

bo rnit Sicherheit zustande kommen, da hierdurch das fette Gemisch zerrissen werden kann und Schwankungen im Kraftstoff-Luft-Verhältnis auftreten können, welche die Wirkung der Ladungsschichtung beeinträchtigen.

b5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der mit einfachen Mitteln eine Ladungsschichtung mit einer weitgehend

vollständigen Verbrennung erreicht wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination der zum Teil für sich bekannter Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.

Durch den erfindungsgemäßen VorLchlag ergibt sich in der Zündtotpunktstellung des Kolbens ein von der Kolbenmulde und den benachbarten Gehäusewänden gebildeter, weitgehend abgeschlossener Raum, der der Zündkerze im Moment der Zündung gegenüberliegt und unabhängig von der Luftzahl des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der gesamten Arbeitskammer stets ein zündfähiges Gemisch enthält, das von der Zündkerze gezündet werden kann, wobei die entstehende Zündflamme das bei der Weiterdrehung des Kolbens aus dem nachlaufenden Teil der Arbeitskammer mit großer Geschwindigkeit durch den Überströmkanal in den vorlaufenden Teil der Arbeitskammer einströmende arme Kraftstoff-Luft-Gemisch entzünden kann. Dadurch gelingt es, auch in den Betriebsbereichen, in denen sonst zur Erzielung eines mit Sicherheit zündfähigen'Gemisches an der Zündkerze der Luftzahl des Gemisches in der ganzen Arbeitskammer erheblich unter 1 liegen muß, also beim Starten, im Leerlauf und im Schiebebetrieb, mit einem Gemisch mit einer Luftzahl λ von weit über !,beispielsweise 2,0 λ, zu fahren. In diesen Betriebsbereichen kann daher das durch den Einlaßkanal angesaugte Kraftstoff-Luft-Gemisch sehr arm sein, was zu geringeren Wandablagerungen des Gemisches im Einlaßkanal und an den Wänden der ansaugenden Arbeitskammer führt. Außerdem können bei geschlossener Drosselklappe keine Zündaussetzer und keine Unterbrechungen des Verbrennungsvorganges eintreten, da durch die Zündkerze ständig ein zündfähiges Gemisch im Bereich der Zündkerze vorhanden ist, wodurch insbesondere bei Schiebebetrieb bei einer in einem Kraftfahrzeug eingebauten Rotationskolben-Brennkraftmaschine ein unrunder Lauf vermieden werden kann. Bei warmer Brennkraftmaschine kann dagegen keine Entmischung an den Wandungen der Arbeitskammern auftreten, so daß die Kraftstoffzufuhr überwiegend über die Kraftstoffzumeßeinrichtung erfolgen kann.

Dadurch, daß die Kolbenmulden in der vorlaufenden Flankenhälfte angeordnet sind, ist der nachlaufende Teil der Arbeitskammer sehr klein, so daß die dort vorhandene Gemischmenge ebenfalls sehr gering ist. Schon dadurch wird die theoretisch mögliche Menge von unvollständig verbrannten Gasen entsprechend veringert. Tatsächlich aber werden diese Gase aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeit von der Verbrennung erfaßt.

Die Kraftstoffzumeßeinrichtung kann aus einem ein armes Gemisch bildenden Vergaser bestehen, in welchem Fall die Kraftstoffregeleinrichtung ausschließlich die der Einspritzdüse zugeführte Kraftstoffmenge regelt. Bei dieser Ladung liefert der Vergaser ein Kraftstoff-Luft-Gemisch, während über die Einspritzdüse eine Kraftstoff menge eingespritzt wird, die von der Kraftstoffregeleinrichtung auf einen Wert abgestimmt werden kann, der im Moment der Zündung ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl von 0,9 bis 1,1 im Bereich der Zündkerze ergibt.

Alternativ kann die Kraftstoffzumeßeinrichtung eine Saugrohreinspritzdüse sein, die einen niedrigeren Einspritzdruck aufweist als die Einspritzdüse. Dabei sind beide Einspritzdüsen gemeinsam an die Kraftstoffregeleinrichtung angeschlossen, die je nach Betriebszustand die Gesamtkraftstoffmenge so auf die beiden Einspritzdüsen verteilt, daß an der Zündkerze ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit der gewünschten Luftr.ahi von 0,9 bis 1,1 erreicht wird.

Schließlich kann die Kraftstoffzumeßeinrichtung eine Saugrohreinspritzdüse sein, wobei jede Einspritzdüse an eine eigene Kraftstoffregeleinrichtung angeschlossen ist. Auch in diesen; Fall werden die

ίο Kraftstoffregeleinrichtungen der beiden Einspritzdüsen in jedem Betriebszustand so aufeinander abgestimmt, daß die Luftzahl des Kraftstoff-Luft-Gemisches an der Zündkerze 0,9 bis 1,1 beträgt. Schutz wird nur für die in der Kombination der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 enthaltenen Merkmale beansprucht.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

2() Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart im Querschnitt mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung in einer ersten Ausführungsform, mit dem Kolben in einer Stellung von etwa 120° Exzenterwinkel vor dem Zündtotpunkt,

Fig. 2 die Rotationskolben-Brennkraftmaschine von Fig. 1 mit dem Kolben in einer Stellung von etwa 100° Exzenterwinkel vor dem Zündtotpunkt,
Fig. 3 die Rotationskolben-Brennkraftmaschine

in von Fig. 1 mit dem teilweise geschnittenen Kolben in einer Stellung von etwa 30° Exzenterwinkel vor dem Zündtotpunkt,

Fig. 4 eine Darstellung einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine ähnlich Fig. 1 in kleinerem

j5 Maßstab mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung in einer zweiten Ausführungsform, und

Fig. 5 eine Darstellung einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine ähnlich Fig. 1 mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung in einer dritten Ausführungs-

4(i form.

Es sei zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen, in der schematisch eine Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart dargestellt ist, die ein Gehäuse aufweist, welches sich aus einem Mantel 1 mit zweibogiger innerer Mantelfläche 2 und parallelen Seitenteilen 3 zusammensetzt und in welchem ein dreieckiger Kolben 4 auf dem Exzenter 5 einer Exzenterwelle 6 drehbar gelagert ist. Der Kolben 4 trägt an seinen Ecken Dichtleisten 7, die beim Umlauf des Kolbens 4 in Drehdichtung D ständig an der inneren Mantelfläche 2 des Mantels 1 entlanggleiten, wodurch volumenveränderliche Arbeitskammern A, B und C gebildet werden. Zur Durchführung eines Viertaktverfahrens mit Ladungsschichtung in jeder Arbeitskammer sind im Mantel 1 ein Einlaßkanal 8, eine Einspritzdüse 9 und eine Zündkerze 10 sowie ein Auslaßkanal 11 für die verbrannten Gase vorgesehen. Der Einlaßkanal 8 weist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Kraftstoffzumeßeinrichtung in Form eines

to Vergasers 21 mit Drosselklappe 22 auf und kann auch in einem oder beiden Seitenteilen 3 angeordnet sein. Jede Arbeitskammer A, B und C führt bei Drehung des Kolbens 4 nacheinander einen Ansaug-, Verdichtungs-, Expanions- und Ausschubtakt aus, wobei sich

b5 bei der in der Zeichnung gezeigten Stellung des Kolbens 4 die Arbeitskammer A im Ansaugtakt, die Arbeitskammer B im Verdichtungstakt und die Arbeitskammer C am Ende des Expansionstaktes befin-

Die Zündkerze 10 ist im Ausführungsbeispiel in Drehrichtung D des Kolbens 4 nach der zweiten achsnahen Zone 12 in einem Bereich der inneren Mantelfläche 2 angeordnet, in welchem beim Überfahren durch eine Dichtleiste 7 zwischen benachbarten, durch die Dichtleiste 7 getrennte Arbeitskammern B und C im wesentlichen der gleiche Druck herrscht, was etwa der in der Zeichnung dargestellten Stellung des Kolbens 4 entspricht und in welcher sich die Exzenterwelle 6 in einem Winkel α von etwa 120° vor dem Zündtotpunkt befindet. Die Einspritzdüse 9 ist dagegen in einem vor der zweiten achsnahen Zone 12 und nach der achsfernen Zone 13 liegenden Bereich der inneren Mantelfläche 2 angeordnet, in welchem die Verdichtung stattfindet. Dabei ist eine schräge Lage vorgesehen, durch die der Kraftstoffstrahl zur Erzielung einer Ladungsschichtung in Drehrichtung D gegen den vorlaufenden Flankenteil der Kolbenflanke 17 des Kolbens 4 gerichtet ist. Im Kolben 4 ist im vorlaufenden Flankenteil jeder Kolbenflanke 17 eine Kolbenmulde 16 angeordnet, von der sich bis in die nachlaufende Flankenhälfte der Kolbenflanke 17 ein Überströmkanal 18 erstreckt.

Die Einspritzdüse 9 ist über eine Leitung 19 an eine Kraftstoffregeleinrichtung 35 in Form einer Einspritzpumpe 20 angeschlossen, welche die Kraftstoffmenge über bekannte Regelglieder in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine einstellt, deren Werte durch die Eingänge 14 und 15 eingegeben werden, wobei die Drehzahl von der Exzenterwelle 6 abgenommen und die Last durch die Stellung der Drosselklappe 22 oder durch den Unterdruck im Einlaßkanal 8 dargestellt wird. Unabhängig von der Gesamt-Luftzahl in den Arbeitskammern soll das Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Zeitpunkt der Zündung im Bereich der Kolbenmulde 16 und der Zündkerze 10 ständig eine Luftzahl λ zwischen 0,9 und 1,1 aufweisen und somit in allen Lastbereichen eine sichere Zündung gewährleisten, wohei je nach den Erfordernissen, wie z. B. zur Erzielung einer hohen Abgastemperatur die Luftzahl λ 0,9 oder zur Erzielung eines geringen Kraftstoffverbrauchs die Luftzahl λ 1,1 konstant eingestellt werden kann. Die Regelung für die Aufteilung der Kraftstoffmenge auf den Vergaser 21 der Kraftstoffzumeßeinrichtung 32 und die Einspritzdüse 9 zur Bildung einer Ladungsschichtung erfolgt bei diesem Ausführungsbeispiel derart, daß die überwiegende Kraftstoffmenge bei geschlossener Drosselklappe 22 über die Einspritzdüse 9, in den übrigen Betriebsbereichen dagegen über den Vergaser 21 zugeführt wird.

In Fig. 2 nimmt der Kolben 4 eine Stellung ein, die etwa 100° Exzenterwinkel α vor dem Zündtotpunkt liegt, und in der die Zündkerze 10 kurz vorher von der Dichtleiste 7 überschliffen worden ist. In dieser Stellung wird während des Verdichtungstaktes der Arbeitskammer B und der Drehbewegung des Kolbens 4 in das über den Einlaßkanal 8 angesaugte, verhältnismäßig arme Gemisch durch die Einspritzdüse 9 Kraftstoff auf solche Weise in die voreilende Brennraummulde 16 eingespritzt, daß der in der Zeichnung angedeutete Kraftstoffstrahl während der Einspritzdauer weitgehend zwischen dem Muldenanfang 23 und dem Muldenende 24 in die Kolbenmulde 16 trifft, wodurch eine örtliche Gemischanreicherung bewirkt wird. Durch die sich anschließende, infolge der Drehbewegung auftretende Quetschströmung in Drehrichtung D, wird der eingespritzte Kraftstoff einerseits in der Kolbenmulde 16 gehalten und andererseits mi Teilen des mageren Gemisches aus der nachlaufenden Hälfte der Arbeitskammer B vor dem Einsetzen der Zündung intensiv vermengt.

In Fig. 3 hat sich der Kolben 4 in Drehrichtung D entsprechend einem Exzenterwinkel α von etwa 30° vor dem Zündtotpunkt so weit bewegt, daß sich sowohl durch die Form der Kolbenflanke 17 und der Mantelfläche 2 als auch durch die Lage der Kolbenmulde 16 weitgehend voneinander getrennte vorlaufende und nachlaufende Brennraumteile E und Fergeben, wobei der vorlaufende Brennraumteil F und die Kolbenmulde 16 eine gemeinsame Kammer bilden. In diese Kammer wird nun der überwiegende Tei des mageren Gemisches aus dem Brennraumteil E durch die sich in Pfeilrichtung ergebende sehr starke tangentiale Quetschströmung über die vom Uber-

-° Strömkanal 18 zwischen der vorlaufenden und nachlaufenden Flankenhälfte gebildete Verbindung hineingeführt, wodurch eine sehr gute Durchwirbelung und Gemischaufbereitung erfolgt. Auf diese Weise is im Moment der Zündung, die zu demjenigen Zeit punkt erfolgt, wenn sich der Kolben 4 bis in etwa die gezeigte Stellung gedreht hat und sich die Kolbenmulde 16 mit ihrem Schwerpunkt unterhalb der Zündkerze 10 befindet, im Bereich der Zündkerze 10 ein zündwilliges Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ von 0,9 bis 1,1 vorhanden. Das noch in dem Brennraumteil E enthaltende Kraftstoff-Luft-Gemisch wird nach weiterer Drehung des Kolbens 4 infolge der anhaltenden Quetschströmung von der Flamme erfaßt und gezündet.

^J5 Bei dem in Fig. 4 gezeigten, vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiel sind für gleiche und gleichar tige Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 jedoch mit einem Strich, verwendet worden. Abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 is als Kraftstoffzumeßeinrichtung 33 eine Saugrohreinspritzdüse 27 im Einlaßkanal 8' angeordnet, die zusammen mit der Einspritzdüse 9' an eine Kraftstoffregeleinrichtung 36 in Form einer Einspritzpumpe 2f mit einem Reglerteil 26 angeschlossen ist. Die Rege lung der Kraftstoffzufuhr zu den beiden Einspritzdü sen 9' und 27 erfolgt in Abhängigkeit von der Dreh zahl und der Last derart, daß die Leitung 28 zu dei mit niederem Einspritzdruck arbeitenden Saugrohr einspritzdüse 27 durch ein Ventil 26a weitgehend ge schlossen wird, wenn sich auch die Drosselklappe 22 im Einlaßkanal 8' in Schließstellung befindet, so dal die überwiegende Kraftstoffmenge der Einspritzdüst 9' zugeführt wird, während in dem darüber hinausge henden Betriebsbereich die Zufuhr zur Einspritzdüs« 9' vermindert und der Kraftstoff überwiegend der eii armes Gemisch bildenden Saugrohreinspritzdüse 2' zugeführt wird. Auch in diesem Fall sind die Kraft stoffmengen so abgestimmt, daß zum Zeitpunkt de Zündung im Bereich der angedeuteten Zündkerze 10

bO ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ voi 0,9 bis 1,1 vorhanden ist.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbei spiel, in dem für gleiche und gleichartige Teile die glei chen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bzw. Fig. 4, jedocl

b5 mit zwei Strichen, verwendet worden sind, ist für dif Regelung der Kraftstoffmenge zu der Einspritz düse 9" und der Kraftstoffzumeßeinrichtung 34 ii Form einer Saugrohreinspritzdüse 29 als Kraftstoffre

geleinrichtung 37 je eine eigene regelbare Einspritzpumpe 30 und 31 vorgesehen, die — ebenso wie bei den vorgenannten Ausführungsbeispielcn - die Kraflstoffmenge in Abhängigkeit von der Last und der Drehzahl der Brennkraftmaschine, z. B. durch Hub-

verstellung der Einspritzpumpe, getrennt voneinander einstellen, aber so, daß auch bei diesem Ausführungsbeispicl in allen Lastbereichen im Bereich der Zündkerze 10" die Luftzahl des Kraftstoff-Luft-Gemisches stets λ 0,9 bis 1,1 beträgt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rotationskolben-Brennkraftmaschine in Trochoidenbauart mit Fremdzündung und Kraftstoffeinspritzung, bestehend aus einem Gehäuse, das sich aus einem Mantel mit zweibogiger eine erste und eine zweite achsnahe Zone aufweisender innerer Mantelfläche und zwei parallelen Seitenteilen zusammensetzt, mit einem auf dem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar angeordneten dreieckigen Kolben, der in jeder Kolbenflanke eine Kolbenmulde aufweist und mit der inneren Mantelfläche des Gehäuses volumenveränderliche Arbeitskammern begrenzt, wobei im Gehäuse nahe der ersten achsnahen Zone ein P.inlaßkanal mit einer Kraftstoffzumeßeinrichtung und einer Drosselklappe und ein Auslaßkanal für den Ausschub von verbrannten Gasen vorgesehen ist, und mit mindestens einer Zündkerze und einer Einspritzdüse im Gehäusemantel im Bereich der Verdichtungskammer, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Die Zündkerze (10) ist in Drehrichtung (D) des Kolbens (4) nach der zweiten achsnahen Zone (12) in dem Bereich angeordnet, in dem im Moment des Uberschleifens einer Kolbenecke mit einer Dichtleiste (7) im wesentlichen Druckgleichheit zwischen den benachbarten Arbeitskammern (B und C) herrscht,

b) in jeder Kolbenflanke (17) ist in der in Drehrichtung (D) vorlaufenden Flankenhälfte eine Kolbenmulde (16) angeordnet, von der sich bis in den Bereich der nachlaufenden Flankenhälfte ein Überströmkanal (18) erstreckt,

c) die Einspritzdüse (9, 9', 9") ist vor der zweiten achsnahen Zone (12) in Drehrichtung (D) spritzend angeordnet, derart, daß der Kraftstoffstrahl während der Drehung des Kolbens (4) in einem Bereich zwischen 40° und 100° Exzenterwinkel (α) vor dem Zündtotpunkt in die Kolbenmulde (16) gerichtet ist, und

d) es ist eine Kraftstoffregeleinrichtung (35,36, 37) vorgesehen, welche die zugeführte Kraftstoffmenge so regelt, daß in der Kolbenmulde (16) im Moment der Zündung stets ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einer Luftzahl λ von 0,9 bis 1,1 vorhanden ist, wobei die Gesamtkraftstoffmenge bei geöffneter Drosselklappe (22, 22', 22") zunehmend überwiegend durch die Kraftstoffzumeßeinrichtung (32, 33, 34) zugeführt wird.

2. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzumeßeinrichtung (32) aus einem ein armes Kraftstoff-Luft-Gemisch bildenden Vergaser (21) besteht und daß die Kraftstoffregeleinrichtung (35) ausschließlich die der Einspritzdüse (9) zugeführte Kraftstoffmenge regelt.

3. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzumeßeinrichtung (33) eine Saugrohreinspritzdüse (27) ist, die einen niedrigeren Einspritzdruck aufweist als die Einspritzdüse (9') und daß beide Einspritzdüsen gemeinsam an die Kraftstoffregeleinrichtung (36) angeschlossen sind.

4. Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftstoffzumeßeinrichtung (34) eine Saugrohreinspritzdüse (29) ist und daß jede Einspritzdüse (9", 29) an eine eigene Kraftstoffregeleinrichtung (30 bzw. 31) angeschlossen ist.