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Verfahren zur Erzielung einer erhöhten Verdichtung
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in Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen und Kreiskolbenverbrennungskraftmaschine
zur Durchführung des Verfahrens.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer
erhöhten Verdichtung (Aufladung) in dem Kompressionsbereich von Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen
(System Wankel) mit zwei- oder mehrbogigem Gehäuse und drei-oder mehrkantigem Kolbenläufer
sowie auf el-ne Kreiskolbenverbrennungskraftmaschine zur Durchführung des Verfahrens.
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Bei den bisher gebauten Kreiskolbenmotoren nach dem System Wankel
beginnt die Verbrennung in einem langgestreckten, flachen, mit einem großen Verhältnis
Oberfläche zu Volumen beh'afteten Brennraum, welcher bei Motoren mit zweibogigem
Epitrochoiden-Gehäuse und dreikantigem Kolbenläufer dadurch
entsteht,
daß die Einschnürung der Gehäusewand (des Stators) auf dem Kolbenläufer (Rotor)
zwei sichelförmige Quetschräume zwischen Gehäusewand und Kolbenläufer entstehen
läßt, die durch einemuldenförmige Kammer verbunden sind, damit das Gas von dem Quetschraum
im ersten Bogen in den Quetschraum im zweiten Bogen gelangen kann. Während der Anfangsphase
der Verbrennung treten hier sehr hohe Gastransfergeschwindig ketten auf, die sich
ungünstig auf den Wirkungsgrad auswirken. Die Überströmmulde halbiert praktisch
die maximal erreichbare theoretische Verdichtung £th. Für die Auslegung von Wankel-Kreiskolbenmotoren
mit zweibogigem Gehäuse hat sich eine optimale Dimensionierung herausgebildet, die
durch den sogenannten E-Faktor (Verhältnis R/e, wobei R der Radius des Kolbenläufers
und e die Exzentrizität bedeuten) definiert ist, wobei der optimale Bereich für
den E-Faktor zwischen 6,8 und 7,2 liegt. In der DU-AS 1 137 899 führt Felix Wankel
aus, daß bei Kreiskolbenmotoren mit zweibogigem Epitrochoiden-Gehäuse und dreikantigem
Kolbenläufer das Verhältnis b/a des kleinen Durchmessers zum großen Durchmesser
des Epitrochoiden-Gehäuses entscheidenden Einfluß auf Hubraum, Verdichtung, Schenkelwinkel,
Wellendurchmesser des Kolbens sowie auf die Lagerverluste hat. Anstelle dieses Verhältnisses
b/a wird heute üblicherweise der -sogenannte t-Faktor zur Charakterisierung eines
Motors verwendet, wobei die beiden Kennzahlen nach der Formel
1 umrechenbar- sind;; In der DI-AS 1 137 899 ist im Patentanspruch bei Berücksichtigung
der vorstehenden Umrechnungsformel ein güngstiger Bereich für zweibogige Kreiskolbenmaschinen
von K = 5-9 angegeben. In der Praxis haben sich für Otto-Kreiskolbenmotoren K-Werte
zwischen 6,8 bis 7,2 durehgesetzt. Für diesen optimalen Bereich ergibt sich eine
theoretische Verdichtung @th = 18.
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Infolge der vorstehend erläuterten bisher üblichen Ausbildung von
Kreiskolbenmotoren, bei denen eine.Überströmmulde im Kolbenläufer vorgesehen ist,
um das Gas vom ersten Bogen in den zweiten Bogen überströmen lassen zu können, wird
die tatsächlich erreichte Verdichtung so reduziert, daß die für Otto4'iotoren verwendeten
Maschinen mit den genannten K-Faktoren nicht als selbstzündende Dieselmotoren anwendbar
sind, es sei denn, man verwendet vorverdichtete Luft. Um bei Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen
Verdichtungen zu erreichen die den fremdgezündete Betrieb als Dieselmotoren oder
als hochverdichtete/Motoren, z.B.
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mit Benzineinspritzung,zulassen vJürden, ist bereits vorgeschlagen
worden, zusätzliche Aufladeaggregate vorzuschalten.
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Ein Vorschlag von Rolls-Royce sieht für einen nach dem Di eselprinzip
arbeitenden Wankel-Kreiskolbenmotor eine mindestens zweistufige Ausgestaltung vor,
bei der zwei Kreiskolbeneinheiten hintereinandergeschaltet sind. In der ersten Einheit
wird eine Vorverdichtung bewirkt, die in der zweiten Einheit eine Nachverdichtung
der vorverdichteten Luft auf Verdichtungswerte ermöglicht, die einen Dieselmotor-Betrieb
mit Selbstzündung zulassen. Diese Ausgestaltungen sind jedoch infolge der Vielzahl
zu verwendender Aggregate aufwendig und im Betrieb störanfällig. Im übrigen ist
es bis heute nicht gelungen, den Wirkungsgrad von Otto-Kreiselkolbenmaschinen dem
Wirkungsgrad von Otto-Hubkolbenmotoren anzugleichen. Ein wesentlicher Grund hierfür
ist die ungünstige Form des Anfangsbrennraums bei den Kreiskolbenmotoren mit zwei
durch eine Einschnürung abgetrenliten sichelförmigen Quetschräumen. Ein weiteres
Problem liegt in der Belastung der Dichtungen an den Enden des Brennraums. Es besteht
stets die Gefahr, daß während der Verbrennung die Flammfronten die voreilende und
die nacheilende Dichtleiste des Kolbenläufers nicht erreichen und dadurch nur eine
unvollständige Verbrennung mit unverbrannten Bestandteilen im Abgas erzielt wird.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur
Erzielung einer erhahten Verdichtung im Kompressionsbereich von Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen
(System Wankel) und eine Kreiskolben-Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung
des Verfahrens zu schaffen, welche bei einfachem Aufbau einen wirtschaftlichen,
zuverlässigen und störungsfreien Betrieb von Rotations-Kolbenkraftmaschinen des
Systems Wankel als hochverdichtete fremdgezündete Motoren, gegebenenfalls mit Benzineinspritzung,
oder als Dieselmotoren mit einem dem Wirkungsgrad von entsprechenden Hubkolbenmotoren
mindestens entsprechenden Wirkungsgrad sowie günstige Start--und Teillastverhalten
gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Arbeitsverfahrens erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Kompression angesaugter Luft bzw. angesaugten Luft-Brennstoff-Gemisches
während der Kompressionsphase vollständig in einem Kompressionsraum innerhalb eines
ersten Bogens des Gehäuses durchgeführt wird, welcher Kompressionsraum durch den
ersten Bogen des Gehäuses und durch eine Außenfläche des Kolbenläufers von deren
an dem ersten Bogen des Gehäuses gleitend anliegender nachlaufender Kante bis zu
deren an einer Einschnürung des Gehäuses zwischen dem ersten Bogen und einem benachbarten
zweiten Bogen dichtend entlanggeführtdm Bereich begrenzt ist, daß während der Eompressionsphase
nur ein Teil der verdichteten luft bzw.
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des verdichteten Gemisches in einen Brennbereich zwischen Kolbenläufer
und Gehäuseinnenwand im Bereich des zweiten Bogens übergeführt wird, der andere
Teil dagegen mindestens einem über einen Verbindungskanal mit dem Kompressionsraum
im Gehäuse im Bereich des erstens Bogens verbundenen Druckspeicher zugeführt wird,
und daß nach Beendigung der Kompressionsphase im Brennbereich die Zündung und Verbrennung
der dorthin übergeführten Luft und eines dort eingebrachten Brennstoffes bzw.
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des dorthin übergeführten Gemisches erfolgt und nach dem Vorbeigleiten
der
nachlaufenden Kante des Kolbenläufers an der bzw. den Mündungen des bzw. der. Speicherverbindungskanäle
die verdichtete Luft bzw. das verdichtete Gemisch in dem bzw.
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den Druckspeichern in den im ersten Bogen des Gehäuses gebildeten
nachfolgenden Kompressionsraum teilweise zurückstromt und sich dort mit der neu
angesaugt an Luft bzw. dem neu angesaugten Gemisch vermischt und im weiteren Verlauf
der Kompressionsphase zu einer besseren Aufladung und höheren Verdichtung im Kompressionsraum
mit anschließender teilweiser tberführung der verdichteten Luft bzw. des verdichteten
Gemisches in den Brennbereich bzw. in den bzw. die Druckspeicher führt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren wird die bei den bisherigen
Rotationskolbenmaschinen als nachteilig empfundene Unterteilung des von Gehäuse
und Läufer eingeschlossenen Raums durch eine Eiscnürung des Gehäuses zwischen aufeinanderfolgenden
Bogen zum Vorteil ausgenutzt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hält die Einschnürung
des Gehäuses zwischen den aufeinanderfolgenden Bögen während der Kompressionsbewegung
des Kolbens einen Teil des im Kompressionsraum vor der Einschnürung angesaugten
Gases in dem Raum im festen Bogen des Gehäuses zurück. Dieser Teil wird bei der
Weiterbewegung des Kolbens in einem Druckspeicher zwischengespeichert und anschließend
dem nachfolgenden Kompressionstakt zugeführt, sobald dessen Kompressionsphase begonnen
hat. Auf diese Weise erfolgt in nacheinanderfolgenden Kompressionszeiten eine schrittweise
zunehmende Aufladung unter jeweiliger Zwischenspeicherung eines Teils der in der
Kompressionsphase komprimierten Luft und Zuführung zum jeweils nächsten Kompressjonsraum,
bis ein sehr hohes Kompressiónsniveau erreicht ist. In jeder Kompressionsphase ergibt
sich dabei im Kompressionsraum eine sehr günstige Durchmischung der neu angesaugten
Gase und der aus dem Speicher unter Druckausgleich zurück in den Kompressionsraum
strömenden Gase. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist es daher
möglich, sehr rasch nach dem Andrehen des Motors eine solche Verdichtung zu erreichen,
daß nach gterführung der verdichteten Luft in den Brennraum und Einspritzen von
Brennstoff Selbstzündung stattfindet. Durch dieses erfindungsgemäße Verfahren läßt
sich somit bei Einhaltung optimaler geometrischer Verhältnisse von Rotations-Kolbenmaschinen,
wie sie in der Praxis bereits ermittelt aJurden, durch Zwischenspeicherung eines
Teils der angesaugten Luft eine Verdichtung erzielen, die einen Dieselbetrieb der
Maschine ermöglicht und dabei auch ein günstiges Startverhalten gewährleistet. Die
beim erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren hohen Verdichtungen lassen auch einen
Betrieb einer Rotationskolben-Verbrennungsmaschine als Otto-Motor mit Einspritzung
zu, wobei die in der Kompressionsphase verdichtete Luft einem Brennraum zugeführt
werden kann, in dem dann Brennstoff eingespritzt und gezündet wird. Mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschinen
als Dieselmotoren oder als hochverdichtete fremdgezündete Motoren zu betreiben,
ohne daß viele zusätzliche Aufladeaggregate vorgeschaltet oder eine mehrstufige
Arbeitsweise in den Motoren vorgenommen werden müßte. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht im Dieselbetrieb einer Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine außerdem
die Entnahme von Druckluft aus dem Druckspeicher während des Betriebs der Maschine.
Diese Druckluftentnahme hängt hinsichtlich ihrer Entnahmemenge selbstverständlicw
Rer Dimensionierung des Speichers und den Betriebsdaten des Motors ab. Mittels der
entnommenen Druckluft können weitere Aggregate, wie beispielsweise die Bremsen eines
Fahrzeugs beaufschlagt werden. Mittels der Druckluftentnahme kann auch der Betriebszustand
der Rotationskolben-Verbrennungs kraftmaschine selbst beeinflußt werden.
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Mit Vorteil ist das Arbeitsverfahren gemäß der Erfindung so ausgebildet,daß
Luft in den Kompressionsraum gesaugt und dort verdichtet, zum Teil gespeichert und
zum Teil in den Brennraum
übergeführt wird, und daß zur Bildung
eines Luft-Brennstoff-Gemisches in dem Brennraum Brennstoff eingespritzt wird.
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Mit dieser Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich eine
Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine als Diese motor betreiben, wenn die Verdichtung
so hoch geführt ist, daß das Luft-Brennstoff- Gemisch im Brennraum infolge des Eigendrucksund
der Eigentemperatur durch Selbstzündung zündet. Diese Ausbildung des Verfahrens
läßt sich jedoch auch zum Betrieb einer Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine
als Otto-Motor verwenden, wenn das Luft-Brennstoff-Gemisch durch Fremdzündung gezündet
wird.
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Eine andere günstige Ausgestaltung des Verfahrens ist dadurch gegeben,
daß ein aus dem Otto-Prinzip an sich bekanntes Luft-Brennstoff-Gemisch in den Kompressionsraum
gesaugt und dort verdichtet und zum Teil gespeichert und zum Teil in den Brennraum
übergeführt und dort durch Fremdzündung mittels einer geeigneten Zündeinrichtung
gezündet wird. Bei allen vorstehend diskutierten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Arbeitsverfahrens ist es günstig, wenn es so ausgestaltet ist, daß die Ansaugung
von Luft oder Luf t-Brennsto ff- Gemi sch von der Umgebung bzw. von einer Gemisch-Aufbereitungseinrichtung
in dem Kompressionsraum unterbrochen wird, unmittelbar bevor die Verbindung des
Kompressionsraums zum Speicherraum bzw. den Speicherräumen geöffnet wird. Durch
diese Ausgestaltung ist gewährleistet, daß die Ansaugung von Luft oder Buft-Brennstoffgemisch
von außen über einalmöglichst langs dauernden Zeitraum erfolgen kann und daß gleichzeitig
die Gefahr behoben ist, daß ein Teil des angesaugten Gases durch vom Speicherraum
in den Kompressionsraum einströmendes hochverdichtetes Gas wieder aus dem Kompressionsraum
durch die Ansaugöffnung hinausgetrieben wird. Das Einströmen hochverdichteten Gases
aus dem Speicherraum erfolgt erst, nachdem der Kompressionsraum nach außen vollständig
geschlossen laut.
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Mit Vorteil ist eine Kreiskolben-Verbrennungskraftmaschine nach Wankel
(.dh. nach der Definition von Felix Wankel eine Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine
mit feststehendem Gehäuse mit epitrochoidenförmiger Innenwand als Stator und umlaufendem
Kolbenläufer als Rotor) mit zweibogigem Gehäuse und dreikantigem auf Exzenterwelle
geführtem Kolbenläufer zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung so ausgebildet,
daß mindestens ein Druckspeicherraum vorgesehen ist, der über einen Verbindungskanal
mit dem Inneren des Gehäuses im Bereich des ersten Bogens verbunden ist, wobei die
Mündung des Verbindungskanals an einer Stelle der Innenwand des ersten Bogens innerhalb
desjenigen Bereichs liegt, der von der nachlaufenden Kante der der Mündung zugewandten
Fläche des Kolbenlufers bei einer Drehung der Exzenterwelle über den Winkelbereich
von 450 nach dem oberen Totpunkt bis zu 1350 nach dem oberen Totpunkt überstrichen
wird.
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Durch diese Ausgestaltung der Kreiskolben-Verbrennungskraftmaschine
ist sichergestellt, daß eine Uberführung eines Teils der im Kompressionsraum während
der Kompressionsphase verdichteten Luft in den Speicherraum während eines ausreichend
langen Zeitraums erfolgen kann, bevor die nachlaufende Kante des Kolbenläufers über
den Verbindungskanal hinwegläuft und die Verbindung des Speichers zum nachfolgenden
Kompresaionsraum freigibt und bevor die Verbrennung am Brennraum vollständig abgeschlossen
ist. Bei der angegebenen Positionierung der Mündung des Verbindungskanals im ersten
Bogen des Gehäuses ist der Abstand der Mündung von der Einschnürung des Gehäuses
so weit entfernt, daß die zwischen Mündung und Einschnürung liegende Gehäuseinnenfläche
und die daran vorbeibewegte Außenfläche des Kolbenläufers als zusammenwirkende Dichtflächen
zur Abdichtung des Brennraums gegenüber dem Kompressionsraum ausgenutzt werden können.
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Eine besonders günstige Ausbildung der erfindungsgemäßen Kreiskolben-Verbrennungskraftmaschine
wird dabei dadurch erreicht, daß der Kolbenlaufer an jeder seiner Außenflächen in
dem der jeweiligen vorlaufenden Kante nähergelegenen Flächenbereich eine Brennraumvertiefung
aufweist. Eine derartige Ausbildung macht es im Gegensatz zu den bisher bekannten
Kreiskolbenmaschinen unnötig, in dem KolbenläuSer-.-eine Überströmmulde zwischen
dem ersten Bogen und dem zweiten Bogen zur Uberbrückung der Einschnürung des Gehäuses
vorzusehen.
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Während der Kompressionsphase kann ein Teil des im Xompressionsraum
verdichteten Gases durch einen zwischen der Innenwand des Gehäuses, insbesondere
der Einschnürung des Gehäuses an der engsten Stelle und der Außenfläche des Kolbenläufers
im Bereich dessen Brennraumvertiefung gegebenen Spalt in die Brennraumvertiefung
einströmen und wird somit bei der Weitere bewegung des Kölbenläufers in den zweiten
Bogen des Gehäuses übergeführt. Im zweiten Bogen des Gehäuses bildet die Brennraumvertiefung
in der Außenfläche des Kolbenläufers den Raum, in dem der Teil des übergeführten
verdichteten Gases gefangen ist, da der von der übrigen Außenfläche des KolbenlauSers
und der Innenwand des zweiten Bogens des Gehäuses eingeschlossene Raum zum Beginn
der Verbrennungaphase vernachlässigbar klein ist. In die Brennraumvertiefung kann
dann von außen her Brennstoff eingespritzt werden bzw. eine Fremdzündung eingebracht
werden. Die Zündung des Gemisches erfolgt dann in der Brennraumvertiefung. Die Explosion
erfolgt dann weitgehend innerhalb der Brennraumvertiefung so,daß die Flammfronten
von einem Fortschreiten zu den Dichtkanten an der Außenfläche des Kolbenläufers
weitgehend abgehalten sind. Bei einer weiteren Ausbreitung der Explosion und der
fortschreitenden Bewegung des Kolbenläuf'ers vergrößert sich dann der Brennraum
im zweiten Bogen des Gehäuses. Durch diese Ausgestaltung läßt sich nicht nur eine
sehr einfache, wirksame Überführung eines Teils des verdichteten Gases in den Brennraum
bewerkstelligen,
ohne daß Uberströmmulden im Kolbenläufer der Maschine
vorgesehen sein müssen, sondern es läßt sich auch eine sehr vorteilhafte Steuerung
der Verbrennung im Brennraum erreichen. Der Brennraum ist dabei im Gegensatz zu
den bisher bekannten Maschinen nicht sehr flach und langgestreckt, sondern nahezu
halbkugelförmig, was zu einer sehr günstigen Umsetzung des Explosionsverlaufs in
mechanische Energie führt. Dabei ist insbesondere auch gewährleistet, daß die Blammfronten
während des Ablaufs der Verbrennung alle Bereiche des Brennraums erfassen, so daß
eine weitgehend vollständige Verbrennung stattfindet. Bei dieser Ausgestaltung der
erfindungsgemaßen Kreiskolben--Verbrennungskraftmaschine findet die Verbrennung
ausschließlich im zweiten Bogen des Gehäuses statt, während die Kompression ausschließlich
im ersten Bogen des Gehäuses durchgeführt wird.
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Eine besonders günstige Ausbildung der vorstehend diskutierten Kreiskolben-Verbrennungsmaschine
ist erfindungsgemäß dadurch gegeben, daß jede Außenfläche des Kolbenläufers zumindest
im Flächenbereich vor der jeweiligen Nachlaufkante in ihrem Wölbungsverlauf der
Bewegungshüllkurve so angepaßt wird, daß der Abstand zwischen jeweiliger Außenfläche
des Kolbenläufers und der Epitrochoiden-Form der Gehäuseinnenwand auf sein technisches
Minimum gebracht ist, so daß jede Außenfläche des Kolbenläufers zumindest im Flächenbereich
vor der jeweiligen nachlauf enden Kante in ihrer Wölbung an den Verlauf der Gehäuse
innenwand im ersten Bogen des Gehäuses bis zu der Einschnürung an der kleinen Gehäuseachse
in einer ein dichtendes Vorbeibewegen mit Minimalabstand ermöglichenden Weise angepaßt
ist. Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, daß die Außenfläche des Kolbens über
einen längeren Flächenbereich mit der Innenfläche des ersten Bogens des Gehäuses
als Dichtung zusammenwirkt und somit den im zweiten Bogen befindlichen Brennraum
gegenüber dem Kompressionsraum im ersten Bogen abdichtet. Die nachlauf ende Kante
des Kolbenläufers dient dabei nur zur Abdichtung des Kompressionsraums nach hinten,
nicht jedoch als Abdichtung des Brennraums während der Verbrennungaphase. Die im
Brennraum entstehende nach hinten laufende Flammfront wird an der
Abdichtung
zwischen der Einschnürung des Gehäuses und der davor und daran dichtend vorbeibeween
Außenfläche des Kolbenläufers angehalten, so daß sich die Verbrennung nicht nach
hinten in den Kompressionsraum hinein ausbreiten kann.
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Eine besonders vorteilhafte Ausbildung wird dabei dadurch erreicht,
daß jede Außenfläche des Kolbenläufers im Flächenbereich vor der ;jeweiligen nachlaufenden
Kante mit im Winkel, vorzugsweise im rechten Winkel,zur Laufrichtung verlaufenden
Rillen versehen ist. Diese Rillen wirken als Rillen einer Labyrinth-Spaltdichtung
und steigern in günstiger Weise die Dichtung zwischen der Innenwand des ersten Bogens
des Gehäuses und der Außenfläche des Kolbonläufers. Die Rillen können dabei so ausgestaltet
sein, daß sie von einer Eolbenläuferstirnseite zur anderen durchlaufen. Sie können
aber auch kürzer als der Abstand der beiden Kolbenläuferstirnseiten dimensioniert
sein und gestaffelt versetzt angeordnet sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung der erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine
ist dadurch gegeben, daß ein Einlaßfenster zum Ansaugen von Luft bzw. Luft-Brennstoff-Geinisch
im ersten Bogen der Gehäusewand im Bereich der unteren Einschnürung des Gehäuses
so angeordnet ist, daß es bei der Bewegung des Kolbenläufers von der nachlaufenden
Kante einer Außenfläche des Kolbenläufers gerade gegenüber-einem vom ersten Bogen
des Gehäuses und der Außenfläche des Kolbenläufers eingeschlossenen Kompressionsraum
geschlossen wird,bevor bei der Weiterbewegung des Ko1benläufers der Verbindungskanal
zum Druckspeicherraum von der vorlaufenden Kante der Außenfläche des Kolbenläufers
gegenüber dem nachfolgenden Kompressionsraum freigegehen ist. Bei dieser Anordnung
schließt das Einlaßfenster gerade dann, wenn die Verbindung zum DrueR;speicherraum
geöffnet wird, d.h. etwa dann, wenn der Hubraum zlvi.scher erstem Bogen des Gehäuses
und Außenflache des Kolbenläufer am größten ist
(etwa bei einer
Exzenterstellung von 900 nach dem oberen Totpunkt). Dieser Zeitpunkt ist der günstigste
zum überströmen von verdichtetem Gas aus dem Druckspeicherraum in den Kompressionsraum,
ohne daß dabei die Gefahr besteht, daß angesaugtes Gas aus dem Einlaßfenster wieder
nach außen gedrückt wird.
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Eine günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kreiskolbenmaschine
ist auch dadurch gegeben, daß der Druckspeicherraum von einer Beheizungsvorrichtung
zumindest teilweise umschlossen ist oder dadurch, daß im Inneren des Druckspeicherraums
ein Beheizungselement einer Beheizungsvorrichtung angeordnet ist.
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Mittels einer Beheizung des Inhalts des Druckspeicherraums hat man
es in der Hand, das verdichtete Gas vor der Zuführung zum Brennraum in einem Zustand
so zu konditionieren, daß ein Optimum an Energieausnutzung erreichbar ist.
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Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gegeben, daß der
Druckspeicher ;von einer Umhüllung aus Isoliermaterial umgeben ist Auf diese Weise
wird verhindert, daß in dem ; verdichteten Gas im Druckspeicherraum vorhandene Wärme
nach außen abströmt.
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Mit Vorteil ist die erfindungsgemäße Ereiskolben-Verbrennungskraftmaschine
auch so ausgebildet, daß an dem Druckspeicherraum ein Anschluß für eine Entnahmeleitung
vorgesehen ist.
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Während des Betriebs der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei
einem Betrieb als Dieselmotor, kann dann aus dem Druckspeicher Druckluft zur Steuerung
von Arbeits- oder Regelaggregaten, beispielsweise Druckluftbremsen, entnommen werden.
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Eine andere günstige Ausgestaltung ist dadurch gegeben, daß jeder
Druckspeicherraum mit einem Überdruck-Sicherheitsventil, z.B. in Form einer Berstscheibe,
versehen ist. Auf diese Weise
wird eine Gefahr der Überladung des
Druckspeicherraums una' damit der gesamten Maschine ausgeschaltet.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung in Verbindung
mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch eine Kreiskolben-Verbrennungskraftmaschine
mit zweibogigem epitrochoidenförmigem Gehäuse als Stator und dreikantigen Kolbenläufern
nachher Defini.tion von Wankel im grundsätzlichen Aufbau in schematischer Darstellung,
Fig. 2 ein als zweibogige Kreiskolbenmacchine ausgebildetes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgeinäßen Rotationskolben-Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens, als Dieselmotor ausgebildet, in teilweise schematischer
Darstellung im Schnitt, Fig. 3 bis 8 die Kreiskolbenmaschine nach Fig. 24 schematisch
im Schnitt, in sec-hs auSeinanderlolgenden..Arbeit.sphasen, Fig. 9 eine teilweise
schematische perspektivische Darstellung des Kolbenläufers der erfindungsgemäßen
Kreiskolbenmaschine gemäß den Fig. 2 bis 8, Fig. 10 eine Einzelheit durch Zueinanderordnung
des Kolbenläufers gemäß Fig. 9 und des Gehäuses der Maschine in vergrößerter Darstellung,
Fig. 11 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen thcoretischem Verdichtungsgrad und
der geometrischen Ausbildung der Kreiskolbenmaschine nach Fig. 1, Fig. 12 ein.Diagramm
des Zusammenhangs zuischen erreichbarer Druckerhöhung und dem Volumen des Speichers
in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung des Motors, und Fig. 13 ein Diagramm
des Zusammenhangs zwischen der Zahl von Umdrehungen nach dem Start, die zur Erreichung
der erforderlichen Verdichtung notwendig sind und der geometrischen Gestaltung des
Motors.
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Fig. 14 ein Diagramm der Abhängigkeit des Druckspeichervolumens von
einer gewünschten Verdichtung und der geometrischen Gestaltung in For@ des Faktors
F.
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In Fig. 1 wird der grundsätzliche schematische Aufbau einer Kreiskolben-Verbrennungsmaschine
mit einem zweibogigen, epitrochoidenförmigen Gehäuse und einem darin angeordneten
dreikantigen Kolbenläuf er 2, der auf einem um eine Achse 4 im Zentrum des Gehäuses
umlaufenden Exzenter 3 gelagert iStjdargestellt Das Gehäuse 1 weist an seinem ersten
Bogen 1' in der Nähe einer der Gehäuseeinschnüriingen 5 an der sogenannten kleinen
Achse des Gehäuses eine Einlaßöffnung 6 auf, durch die Luft oder ein Luft-Brennstoff-Gemisch
in einen Kompressionsraum 8 angesaugt werden kann. Am zweiten Bogen 1' des Gehäuses
1 ist vor der gleichen Einschnürung 5, hinter der sich die Einfaßöffnung 6 befindet,
eine Auslaßöffnung 7 vorgesehen, durch die Abgase aus dem Motor nach außen ausgeschoben
werden können.
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Die Zündung und Verbrennung findet bei einem solchen Motor üblicherweise
statt, wenn der Kolbenläufer 2 die in Fig. 1 dargestellte Stellung gerade durchlaufen
hat, und zwar in den beiderseits der Einschnürung 5 gegenüber der Einlaßöffnung
6 und der Auslaßöffnung 7 zwischen Kolben und Gehäuse eingeschlossenen Quetschräumen
9 und 10. Damit das Gas von dem Quetschraum 9 in den Quetschraum 10 gelangen kann,
muß bei der üblichen Ausgestaltung ein Verbindungsraum zwischen diesen Quetschräumen
vorgesehen sein, der die Einschnürung 5 überbrückt. Dieser Verbindungsraum ist in
der Regel als Mulde im Kolbenläuf er 1, die die Einschnürung 5 überbrückt, ausgebildet
und dient als Brennraum. Während der Anfangsphase der Verbrennung treten hier sehr
große Gastransfergeschwindigkeiten auf. Der Brennraum selbst ist sehr flach und
langgestreckt, was eine schlechte Ausnutzung der Verbrennungsenergle bewirkt.
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Bei den seit einiguJahren in der Praxis betriebenen zweibogigen Wankel-Kreiskolbenmotoren
hat sich gezeigt, daß die günstigsten Betriebseigenschaften dann erreicht werden,
wenn der sogenannte-Faktor im Bereich von 6,8 bis 7,2 liegt. Unter
K-Faktor
wird das Verhältnis des Radius des Kolbenlaufers R zur Exzentrizität des Exzenters
e verstanden. Bei einer Ausgestaltung des Motors mit einem K-Faktor in dem genannten
Bereich ergibt sich eine theoretische Verdichtung #th aus dem Verhältnis des Volumens
des Kompressionsraums 8 in dessen maximaler Größe zu dem Volumen der beiden Quetschräume
9 und 10 zusammengenommen, von 17,5 bis 18,5, falls das Volumen des zwischen den
Quetschräumen 9 und 10 unbedingt notwendigen Uberströmraums (Mulde) mit 0 angesetzt
wird. Durch die Notwendigkeit der Anordnung der Mulde wird jedoch der faktisch erzielbare
Verdichtungawert gegenüber dem theoretischen Wert nahezu halbiert. Selbst wenn die
Mulde @ ehr klein gehalten wird1 reicht daher die erzielbare Verdichtung für eine
Selbstzündung und damit für einen Betrieb des Motors als Dieselmotor nicht aus,
ganz abgesehen von der sehr ungünstigen Brennraumform. In Fig. 11 ist die erzielbare
theoretische Verdichtung Eth in Abhängigkeit von der geometrischen Gestaltung des
Motors, d.h. von seinem K-Wert dargestellt.
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Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, sind bei den bisher üblichen
Ausgestaltungen von Kreiskolbenmotoren mit den für einen Betrieb günstigen K-Faktoren
zwischen 6,8 und 7,2 Verdichtungen, wie sie für einen Dieselbetrieb erforderlich
wären, ohne zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise die Vorschaltung eines Vorverdichteraggregats
vor die Ansaugöffnung 61 nicht erzielbar.
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In Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
zweibogigen Kreiskolbenmotors teilweise schematisch dargestellt, welches nach dem
erfindungsgemäßen Arbeitsverfahren arbeitet und als Dieselmotor ausgebildet ist.
Bei diesemwAusführungsbeispiel entspricht der grundsätzliche Aufbau des Motors dem
anhand der Fig. 1 erläuterten Aufbau, so daß für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
verwendet werden. BeI
dem Ausführungabeispiel gemäß Fig. 2 ist
jedoch keine flache Uberströmmulde in der Mitte zwischen der Kante jeder Kolbenliufer-AuBenfläche
vorgesehen, sondern ein das verdichtete Gas aus dem Kompressionsraum vor der Einschnürung
5 mitnehmende, nachstehend noch im einzelnen erläuterte Brennraumvertiefung 14 nahe
der vorlaufenden Kante der jeweiligen Kolbenläufer-Außenfläche.
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Im ersten Bogen 1' des Gehäuses ist vor der oberen Einschnürung 5
ein Druckspeicher 11 vorgesehen, der über einen Verbindungsketal 12 mit dem Inneren
des Gehäuses 1 im Bereich des ersten Bogens verbunden ist. Die Mündung des Verbindungskanals
12 liegt an einer Stelle der Innenwand des ersten Bogens 1' innerhalb desjenigen
Bereichs, der von der nachlaufenden Eante--!13 der der Mündung zugewandten Fläche
des Kolbenläufers 2 bei einer Drehung der Exzenterwelle 3 über den Winkelbereich
von 450 nach dem oberen Totpunkt bis 1350 nach dem oberen Totpunkt, vorzugsweise
bis 1200 nach 0D, überstrichen wird.
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Ein Einlaßfenster 6 zum Ansaugen von Luft bzw. Luft-Brennstoff-Gemisch
im ersten Bogen 1' der Gehäusewand ist im Bereich der unteren Einschnürung 5 des
Gehäuses so angeordnet, daß es bei der Bewegung des Kolbenläufers 2 von der nachlauf
enden Kante einer Außenfläche des Kolbenläufers gerade gegenüber einem vom ersten
Bogen des Gehäuses und der Außenfläche des Kolbenläufers eingeschlossenen Kompressionsraum
8 geschlossen ist, bevor bei der Weiterbewegung des Kolbenläufers der Verbindungskanal
12 zum Druckspeicherraum 11 von der vorlaufenden Kante der Außenfläche des Kolbenläufers
gegenüber dem nachfolgenden Kompressionsraum freigegeben ist. Die Kolbenläuferstellung,
bei der das Einlaßfenster 6 gerade geschlossen ist und der Verbindungskanal 12 zum
Druckspeicherraum 11 gerade geöffnet ist, ist in Fig. 2 dargestellt.
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Der Kolbenläufer 2 weist an jeder seiner drei Außenflächen in dem
der jeweiligen vorlaufenden Kante nähergelegenen Flächenbereich
je
eine Brennraumvertiefung 14 auf. Diese Brennraumvertiefung ist im gezeigten Ausführungsbeispiel
annähernd halbkugelförmig ausgestaltet.
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Jedweder Außenflächen des Kolbenläufers 2 ist im Flächenbereich zwischen
der jeweiligen nachlauf enden Kante und der jeweiligen Brennraumvertiefung in ihrem
Wölbungsverlauf der Bewegungshüllkurve so angepaßt, daß der Abstand zwischen der
jeweiligen Außenfläche des Kolbenläufers und der epitrochoiden Form dar Gehäuseinnenwand
auf sein technisches Minimum gebracht ist, so daß jede Außenfläche des Kolbenläufers
zumindest im Flächenbereich vor der jeweiligen nachlaufenden Kante in ihrer Wölbung
an den Verlauf der Gahäuseinnenwand im ersten Bogen 1' des Gehäuses bis zu der Einschnürung
5 an der kleinen Gehäuseachse in einer ein dichtender Vorbeibewegen mit Minimalabstand
ermöglichenden Weise angepaßt ist. Auf diese Weise bilden die Innenwand des Gehäuses
und die Außenfläche des Kolbenläufers miteinander eine Dichtung, durch die der Kompressionsraum
8 im ersten Bogen 1' des Gehäuses gegenüber dem vorausliegenden Raum im zweiten
Bogen 1" des Gehäuses abgedichtet ist.
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Jede der Außenflächen des Kolbenläufers ist im Flächenbereich vor
der jeweiligen nachlaufenden Kante 13 mit Rillen 15 versehen, welche im rechten
Winkel zur Laufrichtung des Kolbens verlaufen. Die Rillen können von einer Kolbenläuferstirnseite
zur anderen durchlaufend ausgebildet sein. Sie können aber auch so ausgebildet sein,
daß sie kürzer als der Abstand der beiden Kolbenläuferstirnseiten sind und gestaffelt
versetzt angeordnet sind. Beide Rillensusgestaltungen sind der Darstellung des Kolbenläufers
in Fig. 9 zu entnehmen. Aus der Darstellung des Kolbenläufers in Fig. 9 geht auch
hervor, daß die Kanten des Kolbenläufers mit an sich bei Kreiskolbenmotoren
bekannten
Dichtleisten 16 versehen sind. Die Ausgestaltung der Rillen 15 in jeder Außenfläche
des Kolbenläufers und ihr Zusammenwirken mit der Innenwand des Gehäuses 1 ist im
vergrößeren Maßstab in Fig. 10 dargestellt. Aus der dortigen Darstellung ist deutlich
ersichtlich, daß der Kolbenläufer 2 im Bereich des ersten Bogens 1' vor der Einschnürung
5 in sehr geringem Abstand an der Innenwand des Gehäuses 1- entlanggeführt ist und
mit dieser eine Spaltdic'ntung bildet. Die Wirkung dieser Spaltdichtung wird durch
die Rillen 15 wesentlich erhöht. Diese Rillen 15 wirken wie eine Labyrinthdichtung.
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Die Arbeitsweise des in Fig. 2 dargestellten Kreiskolbenmotors erfolgt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und ist in sechs aufeinanderfolgenden Phasen
in Fig.3-8 dargestellt. In Fig. 3 befindet sich der Kolbenläufer 2 innerhalb des
Gehäuses 1 des Kreiskolbenmotors in einer Stellung, in der im ersten-Bogen 1' des
Gehäuses ein oberer Kompressionsraum 8 abgegrenzt ist, der über den Verbindungskanal
12 mit dem Druckspeicherraum 11 in Verbindung steht, und in der ein unterer Ansaugraum
abgegrenzt ist, der über das geöffnete Einlaßfenster 6 mit der Umgebung in Verbindung
steht. Die in dem oberen Kompressionsraum 8 gefangene verdichtete Luft wird in dieser
Phase zum Teil über den Verbindungskanal 12 in den Druckspeicherraum 11 gedrückt,
und zum anderen Teil durch einen zwischen der Innenwand des ersten Bogens 1' des
Gehäuses und der Außenfläche des Kolbens 2 im Bereich der Brennraumvertiefung 14
gegebenen Spalt in die Brennraumvertiefung'14 gedrückt.
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Bei der weiteren Bewegung des Kolbenläufers 2 gelangt dieser in die
in Fig. 4 dargestellte Stellung, in der die obere Außenfläche des Kolbenläufers
2 dicht an der oberen Eindem schnürung 5 bzw. /daran anschließenden .Wandbereich
des Gehäuses 1 anliegt und somit ein weiteres Uberströmen von Luft aus dem Kompressionsraum
8 in die- Brennraumvertiefung 14 und den Raum im zweiten Bogen 1 t! unterbindet.
Die im Kompressionsraum 8
noch befindliche Luft wird weiterhin
in den Druckspeicherraum 11 gedrückt. Im ersten Bogen 1' des Gehäuses wird im unteren
Ansaugraum weiterhin Luft angesaugt. In diesem Stadium beginnt bereits die Brennatoffeinspritzung
in den von der Brennraumvertiefung 14 und dem zweiten Bogen 1" des Gehäuses umschlossenen
Raum. Die Brennatoffeinspritzung erfolgt mittels einer Brennstoffdüse 17, die im
zweiten Bogen 1 des Gehäuses nahe der oberen Einschnürung 5 angeordnet ist. Die
Einspritzung erstreckt sich über einen kurzen Zeitraum und sollte abgeschlossen
sein, wenn die Hinterkante der Brennraumvertiefung 14 die Einsprit düse 17 erreicht.
Die bei der Maschine gemäß den Fig. 2 bis 8 erreichte Verdichtung in der Brennraumvertiefung
14 im Bereich des zweiten Bogens 1" des Gehäuses ist so groß, daß nach dem Einspritzen
von Brennstoff Selbstzündung eintritt. Die Verbrennung breitet sich in dem von der
Brennraumvertiefung 14 und der Innenwand des zweiten Bogens 1 des Gehäuses eingeschlossenen
Raum aus und drückt den Kolbenläufer 2 in einer im Uhrzeigersinn verlaufenden Drehrichtung
weiter. Die Phase der nach der Selbstzündung beginnenden Verbrennung ist in Fig.
5 dargestellt.
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Bei der in Fig. 6 dargestellten Arbeitsphase des Motors ist der Kolbenläufer
2 durch die sic ausbreitende Druckwelle im Verbrennungsraum im zweiten Bogen 1"
des Gehäuses so weiterer bewegt worden, daß nunmehr das Einlaßfenstar 6 gegenüber
dem bisherigen Ansaugraum geschlossen ist und die Ansaugung von Luft in diesem Raum
unterbrochen ist und gleichzeitig der Verbindungskanal 12 zum Druckspeicherrauw
11 unmittelbar vor seiner Öffnung in den Saugraum im ersten Bogen 1' des Gehäuses
steht.
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In Fig. 7 ist eine Arbeitsphase dargestellt, bei der die Verbindung
zwischen dem Raum im ersten Bogen 1 des Gehäuses und dem Druckspeicherraum 11 hergestellt
ist, so daß hochverdichtete Luft aus dem Druckspeicherraum 11 in den nunmehr zum
Kompressionsraum
8 werdenden Raum im ersten Bogen 1' des Gehäuses einströmen kann und sich dort mit
der angesaugten Luft unter Verwirbelung vermischen kann, so daß unter Druckannäherung
zwischen dem Druck im Druckspeicherraum und dem Druck im Kompressionsraum 8 eine
Druckerhöhung in diesem stattfindet. Dieses Rückströmen von verdichteter Luft aus
dem Druckspeicherraum in den Kompressionsraum 8 setzt sich bei weiterer Verdrehung
des Kolbenläufers solange fort, bis der Druck im Kompressionsraum 8 den Druck im
Druckspeicherraum erreicht bzw. übersteigt. Diese Phase ist in Fig. 8 dargestellt.
Bei weiterer Verdrehung des Kolbenläufers 2 tritt dann eine weitere Verdichtung
der Luft im Kompressionsraum 8 ein und infolge der Entstehung der Druckerhöhung
wird dann wieder ein Teil der Luft aus dem Kompressionsraum in den Druckspeicherraum
11 zurückgedrückt, während ein Teil der verdichteten Luft dann wieder in die Brennraumvertiefung
in der der oberen Einschnürung zugewandten Kolbenfläche gedrückt und damit durch
einen Spalt zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Außenfläche des Kolbenläufers
mit der Brennwandvertiefung in den zweiten Bogen 1" des Gehäuses übergeführt wird.
Diese Arbeitsphase entspricht wiederum der in Fig. 3 dargestellten und bereits besprochenen
Arbeitsphase. Der Zyklus des Motors beginnt dann wieder von neuem. Zu erwähnen ist
noch, daß die Abgase vom Kolbenläufer durch das Auslaßfenster 7 im zweiten Bogen
1't des Gehäuses ausgeschoben werden.
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Bei dem Kreiskolbenmotor gemäß den Fig. 2 bis 8 ist keine Mulde zur
Uberbrückung der oberen Einschnürung 5 zwischen dem ersten Bogen 1 und dem zweiten
Bogen 1 It des Gehäuses vorgesehen. Die verdichtete Luft wird vom ersten Bogen des
Gehäuses zum zweiten Bogen des Gehäuses nur durch den Zwischenraum übergeführt,der
-sich während einer kurzen Bewegungsphase des Kolbenläufers 2 zwischen der Innenwand
des Gehäuses und dem
Rand der Brennraumvertiefung 14 in der Außenfläche
des Kolbens ergibt. Die in den zweiten Bogen 1" des Gehäuses übergeführte verdichtete
Luft entspricht im wesentlichen in ihrem Volumen dem Volumen der Brennraumvertiefung.
Bei diesem Kreiskolbenmotor sind die Phase der Kompression der Luft eine: seits
und der Zündung. und Verbrennung andererseits sauber auf die zwei Gehäusehälften
des Motors verteilt und durch die Dichtung zwischen der Gehäuseinnenwand im oberen
Bereich der oberen 5 Einschnürung/des Gehäuses und der Außenfläche des Kolbenläufers
2 voneinander getrennt. Bei diesem Motor kann man daher den ersten Bogen 1' des
Gehäuses als Kompressionsseite K und den zweiten Bogen des Gehäuses als Brenner
seite B bezeichnen. Der Brennraum besteht zumindest zu Beginn der Verbrennung;m
wesentlichen aus der Brennraumvertiefung in der Außenfläche des Kolbenläufers 2.
Diese Brennraumvertiefung ist nahezu halbkugelförmig gestaltet und hat somit eine
für die wirksame Ausbreitung der Flammfront sehr güngstige Gestaltung, die gegenüber
der bei bisher üblichen Kreiskolbenmotoren angewandten langgestreckten und flachen
Brennraumform große Vorteile hinsichtlich des Verlaufs der Verbrennung und des Wirkungsgrads
bietet.
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Mit Vorteil sind die Brennraumvertiefungen 14 in dem Kolbenläufer
2 so ausgestaltet und angeordnet, daß die hinten liegende Kante de Bandes jeder
Brennraumvertiefung jeweils vor der oder auf der Mitt der entsprechenden Kolbenläuferaußenfläche
zwischen den jeweiligen die Außenfläche begrenzenden Kanten des Kolbenläufers liegt.
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Bei dem Kreiskolbenmotor gemäß den Fig. 2 bis 8 wird eine für die
Selbstzündung ausreichende Verdichtung der Luft beim Anfahren des Motors bereits
nach wenigen Umdrehungen erreicht, nämlich nach derjenigen Anzahl von Umdrehungen,die
erforderlich ist, um den Druck der Luft im -Druckspeicherraum 11 stufenweise, d.
h. in der Folge einiger aufeinanderfolgender Arbeitszyklen so zu steigern, daß der
Druck der vom Kompressionsraum in die Brennraumvertiefung 12 übergeführien Luft
den erforderlichen Druck erreicht.
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P?.i Jlm Kreiskolbenmotor nach den Fig. 2 bis 8 ist das Speicherfüllungsverhältnis
oder geometrische Teilungsverhältnis F definiert als
wobei QSP die in den Speicher gelangende Füllmenge nach dem vol].standigen Ablauf
des Kopressionsvorgangs (Zustand, der in Fig. 6 dargestellt ist), welche gleich
ist der Füllmenge im Speicher und im sichelförmigen Quetschraum vor der Einschnürung
zu dem Zeitpunkt, zu dem die Verbindung zwischen Drcnnraumvertiefung 14 und dem
sichelförmigen Quetachraum im ersten Bogen abgeschnitten wird, Qii die im Kompressionsraum
angesaugte Luftmenge, die sich nach Schließen der Einlaßöffnung und vor Öffnen .
der Verbindung zum Speicher im Kompressionsraum befindet (vgl. ebenfalls den Zustand
in Fig. 6) und die mit V bezeichneten Größen Volumina einzelner Räume in dem Kreiskolbenmotor
zu dem Zeitpunkt bedeuten, an dem die nacheilende Begrenzung der Brennkammervertiefung
im Kolbenläufer die obere Einschnürung 5 passiert (d.h. ein zwischen den in Fig.
3 und 4 dargestellten Phasen liegender Zeitpunkt, in dem alle in Betracht gezogenen
Räume miteinander in Verbindung stehen und im wesentlichen den gleichen Druck aufweisen),
wobei im einzelnen VSP das Volumen des Speicherraums, Sie das Volumen des sichelförmigen
Quetschraums unterhalb des Speichers, der vom Kolbenläufer und dem ersten Bogen
1' der Kammer vor der oberen Einschnürung 5 eingeschlossen ist, VSi3 das Volumen
des sichelförmigen Speicherraums nach der oberen Einschnürung 5 zwischen dem zweiten
Bogen 1" des Gehauses und der Außenfläche des Kreiskolbenläufers, und VBr das Volumen
der Brennraumvertiefung im Kolbenläufer bedeuten.
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Das nach einer Anzahl u von Exzenterwellenumdrehungen nach dem Anlassen
des Kreiskolbenmotors erreichbare Verdichtungsverhältnis #eff,u in % läßt sich errechnen
aus der Formel eff,u #eff,u wobei sich die Größe F aus den vorangehend angegebenen
geometrischen Verhältnissen bestimmt.
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Das bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte und in dem Kreiskolbenmotor
gemäß den Fig. 2 bis 8 angewandte Verfahren zur Vcrdichtungserhöhung folgt dem Gesetz
einer geometrischen Reihe, deren Endglieder nach u Umdrehungen lauten #eff, u =
#g, F# - 1 ; F < bzw. #eff = #g ; u --> α F - 1 1-1F Hierin bedeutet
Eg die aus den baulichen Größen gegebene geometrische
| Verdichtung V11 |
| V5p. + VBr + VSiK + VSiB |
Die gewünschte erforderliche Verdichtung #eff wird durch die volumetrischen Abmessungen
VBr der Brennraumvertiefung 14 und des Teilquetschraums VsiB auf der Brennseite
B (Seite des Bogens 1" des Gehäuses 1) bestimmt. Diese erforderliche Verdichtung
folgt der Beziehung:
Aus der vorstehenden Beziehung für #effist ohne weiteres ablesbar, daß das Volumen
VBr der Brennraumvertiefung 14 maßgebend für die Verdichtung in'dem''Motor ist.
Da bei jeder Exzenterwellenumdrehung eine Füllung in dem Motor auf genommen wird,muß
auch bei jeder Exzenterwellenumdrehung eine Füllung zur Verbrennung weitertransportiert
werden.Es handelt sich hier um ein selbstregelndes System. Ist der Druck während
der Kompressionsphase im Kompressionsraum zu niedrig, sinkt der Druck im Brennraum
und es wird weniger Luft weitertransportiert.
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Ist der Druck zu hoch, steigt der Druck im Brennraum und es wird mehr
als eine Füllung weitertransportiert. Das geometrische Teilungsverhältnis "F" stellt
den Anteil an Luft dar, der beim Erreichen des oberen Totpunkts zwecks Aufladung
dem Speicher 11 zugeführt wird, um diesen Teil dem nachfolgenden Takt zuzufügen.
Der im Vorderteil jeder Außenfläche des Kolbenläufers 2 angeordnete Brennvertiefung
14 bestimmt maßgeblich die Höhe der Verdichtung. Ihre nacheilende Abschlußkante
bestimmt den Zeitpunkt der Gasteilung im Verhältnis "F", wie vorstehend bereits
ausgeführt wurde. Die obere Einschnürung 5 in der kleinen Achse des Gehäuses hält
im Zusammenwirken mit der Dichtfläche im Anschluß an die Brennraumvertiefung in
der Außenfläche des KolbenlauSers den Teil "F" des Gases zurück.
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Die Drucküberhöhung # PSP im Druckspeicherraum 11 in Prozent von Peff
(Druck in der Brennraumvertiefung)wird in der Arbeitsphase, nachdem die hintere
Kante der Bremmraumvertiefung 14 die Einschnürung 5 passiert hat (Fig. 4 bis 6)
bestimmt durch folgende Beziehung:
wobei @th die vorstehend bereits definierte Größe ist.
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und
Wie aus dem Diagramm in Fig. 12 hervorgeht, steigt die Drucküberhöhung durch Aufnahme
des Volumens VSIK mit kleiner werdenden tif II erheblich an.Wie aus der Beziehung
zwischen VSp und dem Faktor 'tF" in Fig.14 für den speziellen Anwendungsfall von
f = 0,2 hervorgeht, ergibt sich bei einer bestimmten gewünschten Verdichtung Seff
bei F-aZerten über 0,5 ein sehr kleines Speichervolumen VSP.
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Geht man von derartig kleinen Speichervolumen aus, dann stellt sich,
wie aus dem Diagramm von # Psp in Abhängigkeit von VSP in Fig. 12 ersichtlich ist,
eine untragbar hohe Drucküber höhung ein. Daher erscheint eine Unterschreitung von
F = 0,5 aus konstruktiven Gründen nicht sachdienlich.
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Um die obere Grenze des Faktors "F" zu ermitteln, kann man beispielsweise
davon ausgehen, daß der Motor bei einer.Einlaßlufttemperatur:von t1 = - 300C ohne
Fremdzündung mit möglichst wenigen AnlaSumdrehungen zum Laufen gebracht werden soll.
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Wenn für die Anzahl der Anlaßumdrehungen u = 25 als Maximalwvrt betrachtet
wird, entspreched 7,5 sec. bei einer hnlaßexzenterwellendrehzahl 200/min.,ergibt
sich:
Hieraus ist ersichtlich, daß ein Wert von F = 0,92 nicht überschritten werden sollte.
Die vorstehend angegebenen speziellen Verhältnisse sind in dem Diagramm in Fig.
13 dargestellt.
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In der Praxis dürfte eine geometrische Gestaltung des Ereiskolbenmotors
derart, daß der Faktor "F" im Bereich zwischen 0,8 bis 0,86 liegt, die ausgewogensten
Ergebnisse erzielen.
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Der Kreiskolbenmotor gemäß Fig. 2 weist eine den Druckspeicherraum
11 umschließende Umhüllung 18 aus einem Isoliermaterial auf. Auf diese Weise wird
verhindert, daß Wärme der im Druck speicherraum gefangenen komprimierten Luft nach
außen abströmt und sich die Luft im Speicher dadurch abkühlt.
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Aus Sicherheitsgründen ist die Umhüllung 18 von einem Schutzmantel
21 aus Metall umgeben.
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An den Druckspeicherraum 11 ist außerdem an dessen oberem Ende ein
Anschluß in Form einer Verschraubung 19 für eine Entnahmeleitung 20 vorgesehen.
Mittels eines nicht dargestellten Druckventils kann auf diese Weise während des
Betriebs des Kreiskolbenmotors als Dieselmotor Druckluft aus dem Druckspeicherraum
entnommen und anderen Aggregaten, beispielsweise Regelaggregaten oder einer Druckluftbremse
eines Kraftfahrzeugs zugeführt werden. Mittels der Druckluftentnahme kann der Druck
im Druckspeicherraum beeinflußtrlund damit der Betrieb des Dieselmotors erreicht
werden. Selbstverständlich muß die Druckluftentnahine so gesteuert sein, daß der
Betrieb des Dieselmotors dadurch nicht beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die ausgeführten Beispiele beschränkt.
Beispielsweise ist es möglich, einen Ereiskolbenmotor gemäß Fig. 2 so abzuändern,
daß er als hoehverdichteter Benzinmotor mit Benzineinspritzung und Fremdzündung
arbeitet. Anstelle der Brennstoffdüse 17 des Motors gemäß Fig. 2 wäre dann eine
Benzineinspritzdüse im Gehäuse 1 vorzusehen. Außerdem wäre im Brennbereich des Bogens
1" des Gehäuses 1, d.h. nahe dem Ort der Einspritzdüse, eine Zündkerze für die Fremdzündung
vorzusehen. Durch entsprechende geometrische Dimensionierung des Motors zur Beachtung
der im vorstehenden gegebenen Dimensionierungsweise hat es der Durchschnittsfachmann
in der Hand, den Motor dann so zu gestalten, daß die für den Betrieb des Motors
als hochverdichteter Benzinmotor nach dem Otto-Prinzip erforderliche Verdichtung
erreicht wird.
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Eine andere Modifikation des Motors gemäß Fig. 2 könnte beispielsweise
darin bestehen, den Motor als Otto-Motor mit Ansaugung eines Luft-Brennstoff-Gemisches
aus einem vorgeschalteten Vergaser auszugestalten, wobei dann das Luft Brennstoff-Gemisch
im Motor verdichtet und im Brennbereich mittels einer Zündkerze-gezündet würde.
Die Zündkerze würde dann an der Stelle anzubringen sein, an der in Fig. 2 die Einspritzdüse
vorgesehen ist.
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Es wäre beispielsweise weiterhin möglich, den Luftspeicherraum mittels
äußerlich anzubringender Heizvorrichtungen, beispielsweise durch eine Heizummantelung
zu erwärmen oder im Luftspeicher-aum eine Heizung zur Erwärmung des Inhalts des
Luftspeicherraums vorzusehen. Auf diese Weise könnte die Temperatur der verdichteten
Luft im Luftapeicherraum zur Erzielung optimaler Betriebsverhältnisso im Motor beeinflußt
werden.
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Zur Gewährleistung der Sicherheitsvorschriften kann es außerdem sachdienlich
sein, den Druckspeicherraum mit einem tberdruck-Sicherheitsventil, zum Beispiel
in Form einer Berstscheibe, zu versehen, um Explosionen infolge von Drucküberlastungen
mit Sicherheit auszuschalten.
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Ein erfindungsgemäßer Motor könnte beispielsweise auch so ausgebildet
sein, daß er anstelle eines einzigen Druckspeicherraums, wie er bei dem Motor gemäß
Fig. 2 vorgesehen ist, eine Anzahl von Druckspeicherräumen nebeneinander vorgesehen
ist, deren Einläße gegebenenfalls auf dem Umlaufweg des Kolbenläufers hintereinander
im Gehäuse vorgesehen sind und somit nacheinander geöffnet und geschlossen werden
oder in einer Reihe in einer Richtung parallel zur Kolbenläuferachse quer zum Motorgehäuse
angeordnet sind und somit beim Umlauf des Kolbenläufers gleichzeitig geöffnet und
geschlossen werden.
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Ein erfindungsgemäßer Motor könnte auch als Mehrscheibenmotor ausgebildet
sein. In diesem Falle wären mehrere jeweils aus Gehäuse und Kolbenläuf er bestehende
Einheiten vorgesehen, die zusammenarbeiten, beispielsweise eine gemeinsame Welle
antreiben. Ein solcher Motor könnte beispielsweise so ausgestaltet sein, daß die
Druckspeicherräume der einzelnen Einheiten untereinander durch Leitungen verbunden
sind, so daß innerhalb der verschiedenen Druckspeicherräume eine Art Druckausgleich
statt findet.Ein solcher erfindungsgemäßer Motor könnte beispieisweise
auch
so ausgebildet sein, daß nicht jede einzelne Einheit je einen Druckspeicherraum
aufweist, sondern daß für alle Einheiten ein gemeinsamer Druckspeicherraum vorgesehen
ist, zu dem Leitungen von den Kompressionsräumen der einzelnen Einheiten hinführen.
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Sämtliche aus der Beschreibung und der Zeichnung, einschließlich der
konstruktiven Einzelheiten, hervorgehenden DIe-rkmale können auch in beliebigen
Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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L e e r s e i t e