DE2630044B2

DE2630044B2 - Drehkolben-Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2630044B2
Application number: DE2630044A
Authority: DE
Inventors: Jean Luettich Rutten (Belgien)
Original assignee: Fabrique Nationale Herstal Sa Herstal-Lez-Liege (belgien)
Current assignee: Fabrique Nationale Herstal Sa Herstal-Lez-Liege (belgien)
Priority date: 1975-08-05
Filing date: 1976-07-03
Publication date: 1979-04-26
Also published as: DE2630044C3; DE2630044A1; BE832139A; CH606773A5; JPS5219807A

Description

a) Der Rotor (3) ist ein Hohlzylinder, dessen Mantel mindestens zwei Durchbräche (9, 10) aufweist, dessen verbleibende Stege (11,112) als Kolben wirken;

b) innerhalb des Rotors (3) ist ein mit dem stationären Gehäusemantel (1) drehfest verbundener Innenmantel (2) angeordnet, der einen Speicherraum (2') für das verdichtete Arbeitsmedium umfaßt, der über jeweils mindestens zwei zwangsgesteuerte Zufuhr- bzw. Abfuhrventile (14,14' bzw. 15,15') mit den Arbeitskammern zeitweise in Verbindung steht;

c) die Anzahl der Kolben und der drehschwingbeweglichen Absperrteile (20,21) ist gleich;

d) die Einlaß- und Auslaßkanäle im stationären Gehäusemantel (1) weisen zwangsgesteuerte Ventile (16-19) auf.

Die Erfindung betrifft eine Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem mindestens zwei Kolben aufweisenden Rotor, der mit einer Abtriebswelle drehfest verbunden konzentrisch innerhalb eines stationären Gehäusemantels Arbeitskammern bildend angeordnet ist, der Einlaß- und Auslaßkanäle sowie mindestens zwei drehschwingbewegliche Absperrteile aufweist.

Eine derartige Drehkolben-Brennkraftmaschine ist bekannt (DE-OS 21 42 736). Bei derartigen Brennkraftmaschinen entstehen Probleme der Abdichtung der Arbeitskammern, durch die drehschwingbeweglichen Absperrteile. Mangelnde Abdichtung führt zu geringerer Verdichtung, die unerwünscht ist. Bei der bekannten Brennkraftmaschine wird die Verbrennungskammer von zwei beweglichen Absperrteilen begrenzt. Im Bereich der Verbrennungskammer ist ein weiteres Absperrteil vorgesehen, das so gesteuert wird, daß bei der Drehbewegung des Rotors zunächst eine Vorverdichtung stattfindet und anschließend im Bereich der Verbrennungskammer eine Endverdichtung vor dem eigentlichen Arbeitstakt erfolgt. Dadurch wird möglicherweise die Verdichtung verbessert, es ergeben sich aber weitere Schwierigkeiten durch die Anordnung des zusätzlichen drehschwingbeweglichen Absperrteils.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehkolben-Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art mit hoher Verdichtung bei einfachem Aufbau zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einer Drehkolben-Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch die folgenden Merkmale:

a) Der Rotor ist ein Hohlzylinder, dessen Mantel mindestens zwei Durchbrüche aufweist, dessen verbleibende Stege als Kolben wirken;

b) innerhalb des Rotors ist ein mit dem stationären Gehäusemantel drehfest verbundener Ir.nenmantei angeordnet, der einen Speicherraum für das verdichtete Arbeitsmedium umfaßt, der über jeweils mindestens zwei zwangsgesteuerte Zufuhrbzw. Abfuhrventile mit den Arbeitskammem zeitweise in Verbindung steht;

c) die Anzahl der Kolben und der drehschwingbeweg-IL-hen Absperrteile ist gleich;

ίο d) die Einlaß- und Auslaßkanäle im stationären Gehäusemantel weisen zwangsgesteuerte Ventile auf.

Bei der erfindungsgemäßen Drehkolben-Brennkraftmaschine ist innerhalb des Innenmantels ein Speicher für das von den Kolben verdichtete Arbeitsmedium ausgebildet, das bei Drehung des Rotors in den Speicherraum gepreßt wird und aus diesem nach Maßgabe der Steuerung der Zufuhr- bzw. Abfuhrventile wieder in die Arbeitskammern gelassen wird, um die gewünschte Arbeit zu leisten. Da der Speicherraum mit herkömmlichen Ventilen abgedichtet werden kann, läßt sich darin ein verhältnismäßig hoher Druck aufrechterhalten. Der Druck im Speicherraum ändert sich nur wenig und hängt einerseits von den Abmessungen des Speicherraums und andererseits von den d<;m Speicherraum jeweils zu- bzw. abgeführten Gasmengen ab.

Im folgenden wird ein in der Zeichnung dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert; es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehkolben-Brennkraftmaschine gemäß der Linie CDEFGH in Fig. 2,
Fig. 2 einen Schnitt gemäß Linie AB durch den Gegenstand nach F i g. 1,

F i g. 3 in schematischer Darstellung eine perspektivische Ansicht des Rotors der Brennkraftmaschine nach den F i g. 1 bzw. 2,

Fig. 4 —7 in schematischer Darstellung den Gegenstand nach F i g. 2 bei verschiedenen Betriebsstellungen, F i g. 8 — 12 in schematischer Darstellung die Zu- bzw. Abfuhr des Arbeitsmediums zum bzw. vom Speicherraum.
Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Drehkolben-Brennkraftmaschine weist einen zylinderförmigen stationären Gehäusemantel 1 und einen dazu koaxialen, ebenfalls zylinderförmigen hohlen Innenmantel 2 auf, wobei zwischen dem Gehäusemantel 1 und dem Innenmantel 2 ein um die gemeinsame Achse drehender, ebenfalls zylinderförmiger hohler Rotor 3 angeordnet ist.

Der mit einem Decke! Γ versehene Gehäusemantel 1

und der Innenmantel 2 sind durch Keile 4 miteinander verbunden. Der Rotor 3 ist mit Kugellagern 5 einerseits am Innenmantel 2 und andererseits an einem als Drehlager wirkenden Kolbendeckel 3' gelagert. Der Rotor 3 ist am Gehäusemantel 1 über ein Kugellager 6 abgestützt.

Der Rotor 3 weist Innendichtringe 7 und Außendichtringe 8 auf, welche gegen den Innenmantel 2 bzw. den Gehäusemantel 1 abdichten.

Die Wandung des Rotors 3 weist zwei Durchbrüche 9, 10 auf (Fig.3), die durch Stege 11, 12 voneinander getrennt sind, deren eine Seitenwand 11' bzw. 12' eine wirksame Kolbenseite ist. Diese als Kolben wirkenden

b5 Seitenwände W bzw. 12' stehen während der Entspannung mit dem Gasgemisch in Berührung. Die Stege 11, 12 weisen innere bzw. äußere Dichtleisten T bzw.8'auf(Fig.2).

Im Inneren des Innenmantels 2 ist ein Speicherraum 2' gebildet, in dem der Druck des Arbeitsmediums (z. B. Luft oder ein Luft-Kraftstoff-Gemisch) herrscht In diesem gegebenenfalls zellenförmigen Spiricherraum 2' ist axial eine durch den Rotor 3 angetriebene und mit der gleichen Drehzahl drehende Nockenwelle 13 angeordnet, die vier am Innenmantel 2 angeordnete Ventile, d. h. Zufuhrventile 14 und 14' sowie Abfuhr«entile 15 und 15' für das Arbeitsmedium steuert. Diese Ventile stehen mit den durch die Durchbrüche 9 und 10 gebildeten Kammern in Verbindung. Im übrigen ist der Speicherraum 2' abgedichtet

Der Gehäusemantel 1 weist zwei Einlaßventile 16 und 17 für den Ein'aitt des Arbeitsmediums und zwei Auslaßventile 18 und 19 für die entspannten Abgase auf. Die Auslaßventile 18, 19 stehen ebenfalls mit den Durchbrüchen 9, 10 in Verbindung. Sämtliche Ventile wurden durch nicht dargestellte Nocken gesteuert. Außerdem weist der Gehäusemantel 1 zwo' mechanisch durch den Rotor 3 mittels eines nicht gezeichneten Mechanismus gesteuerte, in die Durchbrüche des Rotors 3 hineinragende, drehschwhigbewegliche Absperrteile als Klappenventile 20, 21 auf (F i g. 2). Diese Klappenventile 20, 21 sind ebenfalls mit geeigneten, nicht dargestellten Abdichtungen versehen.

Die Kühlung des Innenmantels 2 und des Gehäusemantels 1 erfolgt über Kühlwasserumlaufleitui gen 22, 23.

Es versteht sich, daß der Ventil- und Nockenwellenmechanismus 14, 15 bzw. 13 durch eine mit Löchern versehene Verteilungsbüchse ersetzt werden kann. Obwohl das eine bessere mechanische Lösung darstellt, wird die Wirkungsweise der dargestellten Drehkolben-Brennkraftmaschine mit dem ebenfalls dargestellten Ventil- und Nockenwellenmechanismus erläutert, weil das eine leichtere Erklärung des Grundprinzips ermöglicht.

Im folgenden wird die Arbeitsweise anhand der Fig.4 —7 erläutert. Die Drehkolben-Brennkraftmaschine arbeitet nach dem Viertaktprinzip. In den Fig.4 —7 wird durch einen Pfeil die Drehrichtung und zugleich die jeweilige Lage des Rotors 3 angedeutet. In der nachstehenden Beschreibung werden die Winkel von der Senkrechten an einer Seite des oberen Klappenventils 20 gezählt. Es wird angenommen, daß der Motor mit Normalleistung betrieben wird. Die entspannten Verbrennungsgase sind in den Figuren durch Kreuzchen angedeutet.

In Fig.4 ist der Rotor 30° von seiner Anfangslage entfernt. Die Einlaßventile 16,17 sowie die Auslaßventile 18, 19 sind geöffnet, während die Zufuhr- bzw. Abfuhrventile 14, 14' bzw. 15, 15' des Innenmantels geschlossen sind. Der Speicherraum 2' si.eht unter Druck.

Das unverbrannte Arbeitsmedium ist in den Figuren schematisch durch Punkte dargestellt, wobei die Dichte der Punkte die Höhe des Druckes andeutet. Weil z. B. das Arbeitsmedium im Speicherraum 2' unter Druck steht, ist die Dichte der Punkte dort größer.

Da während der Drehung bis 180° die Einlaßventile 16,17 geöffnet sind, saugt der Rotor ein Arbeitsmedium an. Da ferner die Auslaßventile 18, 19 geöffnet sind, werden die Abgase durch den Rotor ausgetrieben.

In der durch die Fig. 5 erläuterten Lage hat der Rotor sich um 180° gedreht und die Klappenventile 20, 21 angehoben. Die Auslaßventile 18, 19 sowie die Einlaßventile 16, 17 haben sich geschlossen. Die entspannten Abgase sind abgeführt und der gesamte freie Raum zwischen dem Innenmantel 2 und dem Gehäusemantel 1 ist mit Luft oder einem Brennstoff-Luft-Gemisch gefüllt, und zwar unter einem vorläufig dem Außendruck nahestehenden Druck. Im Speicherraum 2' des Innenmantels 2 herrscht noch immer ein bestimmter Druck. In der in F i g. 6 erläuterten Lage hat der Rotor nach dem Schließen der beiden Klappenven tile 20, 21 die Abfuhrventile 15,15' des Innenmantels 2 freigegeben, die sich bereits kurz vor ihrer vollständigen

ίο Freigabe durch den Rotor geöffnet haben (Voröffnung). Das komprimierte Arbeitsmedium aus dem Speicherraum 2' füllt jetzt die freien Räume zwischen den Klappenventilen 20, 21 und den als Kolben wirkenden Seitenwänden 11', 12' des Rotors. Die zwei derart gebildeten Räume vergrößern sich allmählich beim Weiterdrehen des Rotors und ihr Druck entspricht theoretisch dem im Speicherraum 2' herrschenden Druck. Wenn der Rauminhalt des Speicherraums 2' bedeutend größer ist als der der beiden Räume zwischen den Klappenventilen 20, 21 und den wirksamen Seitenwänden 11', 12' des Rotors und die Form und Größe der Ventile zweckmäßig gewählt sind im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Beschränkung des Druckverlustes, ändert sich der Druck nur ganz wenig in den veränderlichen Räumen zwischen den Klappenventilen und dem Rotor.

Wenn eine ausreichende Menge des Arbeitsmediums in die zwischen den beiden Klappenventilen 20, 21 und den wirksamen Seitenwänden 1Γ, 12' des Rotors gebildeten Arbeitskammern geströmt ist, um eine vollständige Verbrennung zu sichern, schließen sich die Abfuhrventile 15, 15'. Sofern das angesaugte Gas Verbrennungsluft ist, wird dann Brennstoff eingespritzt, wobei das Einspritzen mit einer Einspritzpumpe gesteuert wird. Bei angesaugtem Brennstoff-Luft-Gemisch wird nun gezündet.

Die Darstellung in Fi g. 6 entspricht dem Beginn des Verbrennungsvorgangs. Die Kreuzschraffierungen bezeichnen die Entspannungsphase des Arbeitsmediums.

Die durch die Enthalpiezunahme bedingte Entspannung des Gemisches bildet den ersten Takt der Brennkraftmaschine, wobei der Rotor die angesaugten Mengen gleichzeitig komprimiert. Der Druckverlust im Speicherraum 2' beträgt nur einen geringen Bruchteil des anfänglichen Druckes.

Fig. 7 zeigt den Rotor am Ende des Entspannungsvorgangs und am Ende der Kompression des Arbeitsmediums. In diesem Augenblick, d. h. nach einer Drehung des Rotors von ungefähr 320°, öffnen sich die Zufuhrventile 14, 14' des Innenmantels 2. Das ermöglicht den Übertritt der komprimierten Verbrennungsluft bzw. des komprimierten Vergasungsgemisches in den Speicherraum 2', dessen Druck sich dementsprechend um einen bestimmten Wert erhöht.

Der im Speicherraum herrschende Druck entspricht jetzt wieder dem Anfangsdruck.

Der Rotor gelangt nunmehr wieder in die Betriebsstellung gemäß Fig.4. Es wird bemerkt, daß pro Umdrehung des Rotors zwei Verbrennungsgänge stattgefunden haben.

Wie bereits angedeutet, wird der Druck im Speicherraum während des Betriebes der Brennkraftmaschine im wesentlichen aufrechterhalten.
Im folgenden wird untersucht, wie der Druck im Speicherraum sich von einem Anfangsdruck, der dem Außendruck entspricht, während des Anlassens des Motors aufbaut. Dazu werden die folgenden Symbole verwendet:

Vk — Rauminhalt des Speicherraums, in dem sich das komprimierte Gasgemisch befindet,

r = Kompressionsverhältnis, dessen Wert den Augenblick des Öffnens der Zufuhrventile 14,14' bestimmt. Die Öffnungsdauer dieser Zufuhrventile 14, 14' entspricht derjenigen der Abfuhrventile 15, 15'. Das Kompressionsverhältnis bestimmt ebenfalls die Öffnungsdauer dieser Ventile bei einer bestimmten Drehzahl sowie den Augenblick des Schließens der Abfuhrventi-Ie 15,15'.

V₃ = Rauminhalt der Arbeitskammer am Ende des Kompressionsvorganges. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um die Summe der beiden zwischen dem Rotor und den Klappenventilen befindlichen Mengen Arbeitsmedium kurz vor dem Öffnen der Zufuhrventiie 14,14'.

k = Verhältnis zwischen dem Rauminhalt des Speicherraums und dem Rauminhalt am Ende des Kompressionsvorganges

(V_k = k ■ V₃).

Bevor der Aufbau des Druckes im Speicherraum im einzelnen erläutert wird, ist es zweckmäßig, den Weg des komprimierten Gases anhand der Fig.8—12 zu verfolgen.

In F i g. 8 befinden sich die Gasmengen am Ende der Kompressionsstufe. Die Zufuhrventile 14, 14' stehen kurz vor der Öffnung und die Abfuhrventile 15,15' sind geschlossen.

in Fig.9 sind die Zufuhrventile 14, 14' geöffnet, befindet sich das komprimierte Gas im Speicherraum und sind die Abfuhrventile 15, 15' geschlossen, in F i g. 10 ist die Übergabe der komprimierten Gasmenge an den Speicherraum beendet und sind sämtliche Ventile 14,14', 15 und 15' geschlossen.

in Fi g. 11 sind die Zufuhrventile 14, 14' geschlossen und die Abfuhrventile 15, 15' geöffent, so daß das komprimierte Gas aus dem Speicherraum in Gegenrichtung austreten kann.

In Fig. 12 ist die Übergabe des Gases aus dem Speicherraum beendet und sind sämtliche Ventile 14, 14', 15 und 15' geschlossen.

Im folgenden wird der Druckaufbau im Speicherraum unter Vernachlässigung von gegebenenfalls auftretenden Druckverlusten erläutert. Der Anfangsdruck im Speicherraum entspricht dem Außendruck, d. h. P = po. Im übrigen werden die folgenden Werte zugrundegelegt:

r = 8, k = 3. d. h. V_k = 3 ■ V₃

F i g. 8: Aus den thermodynamischen Gasgesetzen ergibt sich der folgende Druckwert im Raum Vy.

ρ = ρ_οΤγ = ι χ 8¹⁴ = 18,02 bar

mit Po = Anfangsdruck bei der Adiabatischen Druckänderung. Im vorliegenden Fall istp_o = 0,98 bar.

F i g. 9: Der Druck erhöht sich im Speicherraum.

Fig. 10: Der Druck im Speicherraum beträgt jetzt ungefähr

p_k = y = 6,01 bar

(in erster Näherung wird eine konstante Gastemperatur vorausgesetzt).

F i g. 11: Das Gas strömt aus dem Speicherraum und dementsprechend fällt der Druck im Speicherraum.

Fig. 12: Der Druck im Speicherraum beträgt jetzt
Pa = -τ- Pk. F i g. 10 = 4,47 bar.

Zweite Umdrehung:

Fig. 8 = Pa· = 4,47 bar
F i g. 9 : pa > 4,47 bar
Fig. 10 : pa = 10,51 bar

ίο F i g. 12 : pa ^Pa. F ig. 10 = 7,88 bar

Dritte Umdrehung:

F i g. 8 : pa = 7,88 bar
Fig. 10 : pa = 13,88 bar

Fig. 12: pa = -|- pa, F ig. 10 = 10,41 bar

Vierte Umdrehung:

Fig. 8 : p_k = 10,41 bar
Fig. 10 : Pa·= 16,42 bar

Fig. 12 :

-j-ph Fig. 10 = 12,31 bar

Zwanzigste Umdrehung:

Fig. 8 : pk= 17,93 bar

Fig. 10 : pa = 23,94 bar

Fig. 12 : p*=-^p*, Fig. 10= 17,95 bar

Schließlich ändert sich der Druck des Speicherraums zwischen 18,01 bar und 24,51 bar. Das sind die Grenzwerte bei unendlich großer Drehzahl.

Das allgemeine Gesetz läßt sich wie folgt beschreiben:

.. Pn T'

Po τ' < p_k< P₀T- + ^-

mit

Y'_k = k

Wenn p_n = 0,98 bar, gilt der folgende Ausdruck:

T' < p_k < T'

Diese Beziehung gilt streng nur bei unendlicher

Drehzahl, aber bereits 20 Umdrehungen nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine unterscheiden sich die Druckwerte im Speicherraum nur noch um ungefähr 0.3% von ihren Grenzwerten.

Aus der obigen Beziehung ist ferner ersichtlich, daß

die ociucii Giciiz-Wcric sich bei Züüchrficrnjcn λ- vverteil einander annähern. So gilt z. B. für V_k = 10 V₃ (k = 10] und τ = 8

< p_k <

10

oder

18,00 < p_k g 19,81 bar.

Das bedeutet, daß, je größer der Rauminhalt des Speicherraums im Vergleich zum Volumen V₃ ist, destc geringer sind die Druckschwankungen im Speicherraurr bei Normalleistung und desto langer ist die betreffende DruckaufbauzeiL Diese ist aber verhältnismäßig kurz Zum Beispiel hat bei einer Drehzahl von 600 U/min dei Druck im Speicherraum während der Anlaßperiode

bereits nach 2 Sekunden praktisch seinen Grenzwert erreicht (bis auf 0,3%).

Während der Anlaßperiode kann der Speicherraum natürlich auch unmittelbar durch Verbindung mit einem Hilfsdruckbehälter für das Arbeitsmedium unter Druck gesetzt werden. Die dargestellte Drehkolben-Brennkraftmaschine ist äußerst einfach aufgebaut. Sämtliche Hauptteile, d. h. der Rotor, der innenmantel, der Gehäusemantel und die Ventile sind Rotationskörper, deren Herstellung ohne Spezialmaschinen möglich ist. Ihre Anzahl ist auf Mindestmaß beschränkt. Die Brennkraftmaschine ist stets ausgewuchtet, da die entsprechenden Seitenwandungen der Stege des Rotors immer gleichzeitig belastet werden. Die Brennkraftmaschine läuft sehr geschmeidig.

Die Leistung der Brennkraftmaschine läßt sich um ein Vielfaches steigern, wenn der Rotor statt zwei Stege, wie beim dargestellten Ausführungsbeispiel, eine größere Anzahl Stege aufweist. Da die Kompressions- und Entspannungshübe dem Rotordurchmesser direkt proportional sind, ermöglicht eine Durchmesservergrößerung eine entsprechende Vergrößerung der Anzahl der Stege bei vertretbaren Kompressions- und Entspannungshüben. Die Brennkraftmaschine mit vier Stegen besitzt sechzehn Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen. Ganz allgemein entspricht die Anzahl der Verbrennungsstufen dem Quadrat der Anzahl der Stege. Daher gilt die Beziehung

n_c = (n_bf

n_c = Anzahl der Verbrennungsstufen je zwei Umdrehungen
rib = Anzahl der Stege des Rotors.

Bei der vorhergehenden Beschreibung des Ausführungsbeispiels hat sich gezeigt, daß die Drehkolben-Brennkraftmaschine mit zwei Stegen insgesamt acht Ventile (oder 4 Ventile und 4 Öffnungen) aufweisen muß, wobei der Begriff Ventil im breiteren Sinne des Wortes zu fassen ist. Diese Ventilanzahl ist keineswegs prohibitiv, da es ebenfalls vier Verbrennungsstufen je 2 Umdrehungen gibt. Ein konventioneller Hubkolben-Viertaktmotor braucht für 4 Verbrennungsstufen je 2 ίο Umdrehungen 4 Zylinder mit 2 je 2 Ventilen, also insgesamt 8 Ventile.

Eine allgemeine Beziehung zwischen der Ventilzahl und der Anzahl der Stege lautet:

n_s =

n_c =

nt =

"s =

Ventilzahl

Anzahl der Verbrennungsstufen je 2 Umdrehungen
Anzahl der Stege

4 /?i

oder, da

nc = (rib)²
n_s = 4j/fl_c

Demgegenüber gilt für die Ventilzahl n'_s eines klassischen Hubkolben-Viertaktmotors die Beziehung

n'_s = 2 n_a

d. h. mit zunehmender Anzahl der Stege reduziert sich die erforderliche Anzahl der Ventile der beschriebenen Drehkolbe'.i-Brennkraftmaschine im Verhältnis zu einem Viertaktmotor mit einer der Anzahl der Stege entsprechenden Zylinderzahl.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Drehkolben-Brennkraftmaschine mit einem mindestens zwei Kolben aufweisenden Rotor, der mit einer Abtriebswelle drehfest verbunden konzentrisch innerhalb eines stationären Gehäusemantels Arbeitskammern bildend angeordnet ist, der Einlaß- und Auslaßkanäle sowie mindestens zwei drehschwingbewegliche Absperrteile aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: