DE2613628C3

DE2613628C3 - Luftansaugende Rotationskolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2613628C3
Application number: DE2613628A
Authority: DE
Inventors: Haruhiko Satow; Masaharu Shimoji; Atsumichi Yamasaki
Original assignee: Toyo Kogyo Co Ltd
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1975-04-01
Filing date: 1976-03-30
Publication date: 1979-07-19
Also published as: US4019471A; DE2613628A1; DE7609855U1; DE2613628B2

Description

Die Erfindung betrifft eine luftansaugende Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem einen Kolben und Arbeitskammern umschließenden Gehäuse, bestehend aus Seitenteilen, wovon in mindestens einem Seitenteil eine Lufteinlaßöffnung vorgesehen ist, in deren Ansaugkanal ein Drosselventil angeordnet ist, und einem trochoidenförmigen Mantel, welcher im Bereich der Ansaugkammer eine von einer drehzahlabhängigen Brennstoffeinspritzpumpe gespeiste Brennstoffdüse und eine Hilfsluftöffnung hat, deren ebenfalls ein Drosselventil aufweisender Hilfsluftkanal derart abgewinkelt in die Ansaugkammer mündet, daß der aus ihr austretende Luftstrom den aus der Brennstoffdüse austretenden Brennstoffstrahl schneidet.

Bei einer aus der DE-OS 2433942 bekannten Rotationskolben-Brennkraftmaschine dieser Art weist die Mündung des Hilfsluftkanals einen derartigen Querschnitt auf, daß auch bei geringer Drehzahl der eingespritzte Brennstoff zur Herstellung eines geschichteten Brennstoff-Luft-Gemisches so zerstäubt wird, daß sich eine möglichst vollständige Verbrennung erreichen läßt. Bei der bekannten Rotationskolben-Brennkraftmaschine sind jedoch keine besonde

65 ren Maßnahmen getroffen worden, um im voreilenden Ansaugkammerbereich ein reiches und im nacheilenden Ansaugkammerbereich ein mageres Gemisch zu erzeugen, wodurch eine gute Verbrennung weiter gefördert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine obengenannter Art eine optimale Verteilung und Zerstäubung des derart geschichteten Brennstoff-Luft-Gemisches, daß im voreilenden Ansaugkammerbereich ein reiches und im nacheilenden Ansaugkammerbereich ein mageres Gemisch vorhanden ist, zu erzielen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Brennstoff während eines Zeitraums eingespritzt wird, in dem

a) die Brennstoffdüsenachse den voreilenden Flankenbereich des Kolbens noch schneidet und

b) sich die Exzenterwelle in einem Winkelbereich zwischen 60° vor und 75° nach der Stellung der Exzenterwelle befindet, in der sich das Volumen der Ansaugkammer am schnellsten verändert.

Bei der erfindungsgemäßen Rotationskolben-Brennkraftmaschine wird der Brennstoff in einem Zeitpunkt eingespritzt, in dem sich das Volumen der Ansaugkammer am schnellsten verändert, so daß die Luft mit relativ hoher Geschwindigkeit einströmt und eine befriedigende Zerstäubung des eingespritzten Brennstoffs gewährleistet ist. Da die Einspritzung des Brennstoffs während eines Zeitraums erfolgt, in dem die Brennstoffdüsenachse den voreilenden Flankenbereich des Kolbens noch schneidet, ist gewährleistet, daß im voreilenden Ansaugkammerbereich ein reiches und im nacheilenden Ansaugkammerbereich ein mageres Gemisch vorhanden ist, so daß eine gute Verbrennung erfolgt.

Zweckmäßigerweise schließen die Achsen des in die Ansaugkammer mündenden Teils des Hilfsluftkanals und der Brennstoffdüse einen Winkel von 70° bis 130° ein. Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Umfangserstrekkung zwischen der Hilfsluftöffnung und der Brennstoffdüse einem Winkelbereich der Exzenterwelle von 45° bis 135° entspricht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch die Rotationskolben-Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Stellungen des Kolbens in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Exzenterwelle,

Fig. 3 dieAbhängigkeit des Volumens der Ansaugkammer von dem Drehwinkel der Exzenterwelle in einem Diagramm,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Steuerung der Brennstoffeinspritzung bei einer Rotationskolben-Brennkraftmaschine, und

Fig. 5 die Abhängigkeit des Brennstoffverbrauchs von dem Zeitraum der Brennstoffeinspritzung in einem Diagramm.

Die in Fig. 1 dargestellte Rotationskolben-Brennkraftmaschine besteht aus einem Gehäuse 1 mit einem Mantel 2, dessen Innenwandung la die Form einer zweiblättrigen Trochoide aufweist und mit zwei Seitenteilen, die an den einander entgegengesetzten Seiten des Mantels 2 befestigt sind und mit diesem einen Arbeitsraum 4 begrenzen, der eine Mittelachse C₁ hat und die Form einer Trochoide mit einer laneen Achse

M₁ und einer kurzen Achse Af₂ besitzt. In dem Arbeitsraum 4 ist ein im wesentlichen dreieckiger Kolben 5 angeordnet, dessen Mittelachse C₂ gegenüber der Mittelachse C₁ des Hohlraums 4 verretzt ist. Der Kolben 5 trägt eine Exzenterwelle 6, die einen mit der Mittelachse C₁ des Arbeitsraums 4 koaxialen Wellenteil 6 α und einen mit der Mittelachse C₂ des Kolbens 5 koaxialen, exzentrischen Teil 6b besitzt. Der Kolben 5 kann daher eine Drehbewegung um seine Achse C₂ und eine Umlaufbewegung um die Mittelachse C₁ des Hohlraums 4 ausführen. Die Ecken 5 a des Kolbens 5 stehen mit der Innenwandung 2 a des Mantels 2 in Gleitberührung, so daß zwischen der Innenwandung 2 a und jeder Flanke Sb des Kolbens 5 eine volumenveränderliche Arbeitskammer vorhanden ist. Jede Flanke Sb des Kolbens 5 ist in ihrem vorlaufenden Teil mit einer Vertiefung 20 ausgebildet, deren Zweck nachstehend beschrieben wird.

In dem Mantel 2 ist eine Hilfsluftöffnung 8 ausgebildet, die in die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer, nämlich der Ansaugkammer 7 mündet, sowie eine Auslaßöffnung 9, die in die im Auslaßzustand befindliche Arbeitskammer, nämlich die Ausstoßkammer, mündet. Der Mantel 2 ist ferner mit einer Brennstoffdüse 10 versehen, die zum Einleiten von Brennstoff in die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer 7 dient. In einem der Seitenteile 3 ist eine Lufteinlaßöffnung 11 vorgesehen, die in die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer 7 mündet.

Die periphere Hilfsluftöffnung 8 ist mit einem Hilfsluftkanal 12 verbunden, der mit einem Rückschlagventil, beispielsweise einem Zungenventil 13 versehen ist. Die Lufteinlaßöffnung 11 ist mit einem Ansaugkanal 14 verbunden, in dem ein Drosselventil 15 angeordnet ist. Der Gehäusemantel 2 ist ferner mit üblichen Zündkerzen 16a und 16fr versehen.

Der Hilfsluftkanal 12 besitzt einen zur Hilfsluftöffnung 8 führenden Teil 12a, der gegenüber der kurzen Achse M₂ der von dem Mantel 2 gebildeten Trochoide in Drehrichtung des Kolbens 5 schräg verläuft, so daß die Achse A des Teils 12a des Hilfsluftkanals die Innenwandung 2a des Mantels 2 in Jem in Fig. 1 mit α bezeichneten Punkt schneidet. Die Brennstoffdüse 10 ist in dem zwischen der peripheren Hilfsluftöffnung 8 und dem Punkt α liegenden Teil der Innenwandung 2a derart angeordnet, daß die Achse B der Brennstoffdüse 10 die Achse A des Teils 12a des Hilfsluftkanals schneidet.

Vorzugsweise liegt der Winkel zwischen den einander schneidenden Achsen A und B zwischen 70° und 130°.

Ferner entspricht der in der Umfangsrichtung gemessene Abstand zwischen der Hilfsluftöffnung 8 und der Brennstoffdüse 10 vorzugsweise einem Diehwinkel der Exzenterwelle 6 von 45° bis 135°. Das heißt, daß die Hilfsluftöffnung 8 und die Brennstoffdüse 10 so weit voneinander entfernt sind, daß nach dem Durchlauf einer der Ecken 5 a des Kolbens 5 an der Hilfsluftöffnung 8 die Exzenterwelle 6 eine Drehbewegung über einen Winkel von 45° bis 135° ausführen muß, ehe dieselbe Ecke die Brennstoffdüse 10 erreicht.

Die Hilfsluftöffnung 8 hat einen kleineren Durchtrittsquerschnitt als die Lufteinlaßöffnung 11. Ferner hat die Hilfsluftöffnung 8 eine solche Form, daß ihre Abmessung in der Umfangsrichtung des Mantels 2 kleiner ist als ihre Abmessung in dessen axialer Rieh-

ίο

tung, damit die Überschneidungszeit, in welcher die Hilfsluftöffnung 8 die im Ansaugzustand sowie im Auslaßzustand befindlichen Arbeitskammern miteinander verbindet, möglichst kurz ist

Die Hilfsluftöffnung 8 ist vorzugsweise derart angeordnet, daß sie nach dem »Ansaugtotpunkt«, in welchem die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer 7 das größte Volumen hat, von dieser Anoaugkammer getrennt ist. Dadurch wird eine sonst mögliche Rückströmung von Verbrennungsgas aus der im Auslaßzustand befindlichen Arbeitskammer in die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer beträchtlich verringert oder beseitigt.

Die Lufteinlaßöffnung 11 ist so angeordnet, daß sie vor dem Schließen der Hilfsluftöffnung 8 geschlossen wird. Das in dem Ansaugkanal 14 vorgesehene Drosselventil 15 ist so eingerichtet, daß es im Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine im oberen Lastbereich zur steuerung des Luftdurchflusses auf gesteuert wird, so daß im Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich Luft nur durch die pheriphere Hilfsluftöffnung 8 zugeführt wird. Auch im Hilfsluftkanal 12 ist ein bekanntes Drosselventil zur Steuerung des Luftdurchflusses vorgesehen.

In den Fig. 2 bis 4 ist die Steuerung der Brennstoffzufuhr erläutert. Gemäß Fig. 4 besitzt die Rotationskolben-Brennkraftmaschine eine übliche Brennstoffeinspritzpumpe 17, die von der Rotationskolben-Brennkraftmaschine selbst angetrieben werden kann. Die Austrittsöffnung der Brennstoffeinspritzpumpe 17 ist durch eine Einspritzsteuereinrichtung 18 mit der Brennstoffdüse 10 verbunden. Es u>i ferner ein Phasendetektor 19 vorgesehen, der die Winkelstellung der Exzenterwelle 6 erfaßt und ein Signal erzeugt, welches dem Phasenwinkel der Welle entspricht. Das von dem Phasendetektor 19 kommende Signal wird zur zeitlichen Steuerung der Brennstoffeinspritzung an die Einspritzsteuereinrichtung 18 angelegt.

In den Fig. 2 und 3 ist die Beziehung zwischen dem Drehwinkel der Exzenterwelle 6 und dem Volumen der im Ansaugzustand befindlichen Arbeitskammer 7 dargestellt. In Fig. 1 stellt der Winkel Θ, die von der kurzen Achse Af₂ des trochoidenförmigen Mantels 2 aus gemessene Lage der Mittelachse C₂ des Kolbens 5 oder der Achse des exzentrischen Teils 6b der Exzenterwelle 6 gegenüber er Mittelachse C₁ des Arbeitsraums 4 bzw. der Achse des Teils 6a der Exzenterwelle 6 dar.

Gemäß dem in Fig. 3 dargestellten Diagramm, auf dessen Abszisse der Drehwinkel θ der Exzenterwelle und auf dessen Ordinate das Volumen der im Ansaugzustand befindlichen Arbeitskammer aufgetragen ist, wird das Volumen jeder Arbeitskammer in Abhängigkeit von dem Phasenwinkel θ der Exzenterwelle zyklisch verändert. Die Geschwindigkeit, mit der das Volumen der Ansaugkammer 7 verändert wird, kann durch den Neigungswinkel der Tangente an jedem Punkt der in Fig. 3 gezeigten Kurve dargestellt werden. Man erkennt, daß das Volumen bei einem Winkel θ von 135° am schnellsten verändert wird.

Die Brennstoffeinspritzung erfolgt in einem Zeitraum . in dem sich das Volumen der im Ansaugzustand befindlichen Arbeitskammer 7 relativ schnell verändert, insbesondere in dem Bereich zwischen 60° vor und 75 ° nach jener Stellung der Exzenterwelle 6, in der sich das Volumen der im Ansauezustand befindli-

chen Arbeitskammer am schnellsten verändert.

Der Brennstoff wird nur in jenem Zeitraum eingespritzt, in dem die Achse B der Brennstoffdüse 10 die voreilende Flanke Sb des Kolbens 5 noch schneidet.

Durch die beschriebene Anordnung wird eine gute Zerstäubung des eingespritzten Brennstoffs erreicht, weil der Brennstoff in die im Ansaugzustand befindliche Arbeitskammer 7 eingespritzt wird, wenn die Luft in diesen mit relativ hoher Geschwindigkeit einströmt. Beim Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich wird der zu der Lufteinlaßöffnung 11 führende Ansaugkanal 14 geschlossen, so daß die Luft nur durch die periphere Hilfsluftöffnung 8 einströmt, die einen kleineren Durchtrittsquerschnitt aufweist als die Lufteinlaßöffnung 11. Die Luft strömt daher auch im Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine in dem unteren Lastbereich bzw. mit niedriger Drehzahl mit einer genügend hohen Geschwindigkeit ein, so daß eine gute Zerstäubung des Brennstoffs erzielt wird. Da der Teil 12a des Hilfsluftkanals 12 gegenüber der kurzen Achse der von dem Mantel 2 gebildeten Trochoide in der Drehrichtung des Kolbens 5 schräg angeordnet ist und der Strahl des von der Brennstoffdüse 10 eingespritzten Brennstoffs den von der peripheren Hilfsluftöffnunf 8 kommenden Luftstrom in der vorstehend beschriebenen Weise schneidet, wird das auf diese Weise erzeugte Luft-Brennstoff-Gemisch zu dem in dem vorlaufenden Teil der im Ansaugzustand befindlichen Arbeitskammer 7 hingeführt und in der Vertiefung 20 der Flanke Sb des Kolbens 5 im Bereich dieser Vertiefung dem Gemisch ein Drall erteilt. Diese Drallströmung kann dann zum Zusammentreffen mit der in der Drehrichtung des Kolbens 5 längs der Innenwandung la des Gehäuses 2 strömenden Luft veranlaßt und dann wieder zu dem vorauslaufenden Teil der im Ansaugzustand befindlichen Arbeitskammer 7 zurückgeführt werden. Auf diese Weise wird die Vermischung von Brennstoff und Luft verbessert und

' kann im Betrieb der Rotationskolben-Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich der Brennstoff derart

ίο geschichtet werden, daß im vorlaufenden Teil der Arbeitskammer ein reiches Gemisch erzielt wird. Diese Wirkung kann noch verstärkt werden, wenn man den Brennstoff in die Ansaugkammer 7 in einem Zeitraum einspritzt, in dem die Achse B der Brennstoffdüse die

π Flanke Sb in ihrem voreilenden Teil schneidet, wie vorstehend beschrieben wurde.

Fig. 5 erläutert den Einfluß des Brennstoffeinspritzzeitraums auf den Brennstoffverbrauch. In dem Diagramm ist auf der Abszisse die durch den Drehwinkel der Exzenterwelle 6 ausgedrückte Einspritzzeit aufgetragen. Dabei ist der Drehwinkel der Exzenterwelle auf jene Bezugsstellung der Welle 6 bezogen, in der sich das Volumen der Ansaugkammer 7 am stärksten verändert. Auf der Ordinate ist der Brennstoffverbrauch aufgetragen. Man erkennt aus der Zeichnung, daß der Brennstoffverbrauch herabgesetzt werden kann, wenn der Brennstoff in einem Zeitraum eingespritzt wird, der 60° vor der Bezugsstellung beginnt und 75° nach der Bezugsstellung endet. Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn der Brennstoff in einem Zeitraum eingespritzt wird, der 45 ° vor der Bezugsstellung beginnt und 60° nach der Bezugsstellung endet.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Pate ηtansprüche:

1. Luftansaugende Rotationskolben-Brennkraftmaschine mit einem einen Kolben und Arbeitskammern umschließenden Gehäuse, bestehend aus Seitenteilen, wovon in mindestens einem Seitenteil eine Lufteinlaßöffnung vorgesehen ist, in deren Ansaugkanal ein Drosselventil angeordnet ist, und einem trochoidenförmigen Mantel, welcher im Bereich der Ansaugkammer eine von einer drehzahlabhängigen Brennstoffeinspritzpumpe gespeiste Brennstoffdüse und eine Hilfsluftöffnung hat, deren ebenfalls ein Drosselventil aufweisender Hilfsluftkanal derart abgewinkelt in die Ansaugkammer mündet, daß der aus ihr austretende Luftstrom den aus der Brennstoffdüse austretenden Brennstoff strahl schneidet, dadu-ich gekennzeichnet, daß Brennstoff während eines Zeitraums eingespritzt wird, in dem

a) die Brennstoffdüsenachse (B) den voreilenden Flankenbereich des Kolbens (5) noch schneidet und

b) sich die Exzenterwelle (6) in einem Winkelbereich zwischen 60° vor und 75° nach der 2^Λ> Stellung der Exzenterwelle (6) befindet, in der sich das Volumen der Ansaugkammer (7) am schnellsten verändert.

2. Luftansaugende Rotationskolben-Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekenn- jo zeichnet, daß die Achsen (A, B) des in die Ansaugkammer mündenden Teils (12a) des Hilfsluftkanals (12) und der Brennstoffdüse (10) einen Winkel α von 70° bis 130° einschließen.

3. Luftansaugende Roationskolben-Brenn- r> kraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangserstreckung zwischen der Hilfsluftöffnung (8) und der Brennstoffdüse (10) einem Winkelhereich der Exzenterwelle (6) von 45° bis 135° entspricht. ·»< >