DE2653395A1 - Drehkolbenmotor - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. ' 8000 MÜNCHEN 22

KARL H WAGNER gewürzmühlsrasse 5

POSTFACH 246

24. November 1976 76-S-2O1O

CATERPILLARTRACTORCO., Peoria, Illinois 61629, V.St.A.

Drehkolbenmotor

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drehkolbenmotor mit einer eine veränderbare Öffnung aufweisenden Vorkammer.

Zum Stand der Technik sei auf U.S. Patent 3 738 332 hingewiesen.

Es ist bereits bekannt, eine eine veränderbare Öffnung aufweisende Vorkammer in Motoren mit hin- und hergehendem Kolben zur Erreichung bestimmter Vorteile vorzusehen. Zu den Vorteilen gehört dabei, daß während der anfänglichen Verbrennungsstufen eine hohe Turbulenz und eine geringe Zündverzögerung erreicht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß während der späteren Verbrennungsstufen der Motor nahezu wie ein Motor mit direkter Einspritzung arbeitet und einen günstigen Brennstoffverbrauch und geringe Wärmeabfuhreigenschaften aufweist. Im allgemeinen werden diese Vorteile dadurch erreicht, daß man die Austrittsrate der Verbrennungsgase von der Vorkammer derart reguliert, um zu erreichen, daß

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ΤΠΓΓΟΝ 1089)298527 TELEGRAMM: PATLAW MÖNCHEN TELEX: 5-22039 patw d

• γ.

der Verbrennungsprozess bei im wesentlichen konstantem Druck und mit einer Rate erfolgt, die sich dem theoretischen Idealwert nähert. Bezüglich Einzelheiten sei auf das genannte U.S. Patent 3 738 332 verwiesen. Gemäß diesem U.S. Patent werden die erwähnten Eigenschaften bei einem Gebilde erreicht, wo eine einen Zylinder und eine Vorkammer verbindende Öffnung mit einer gewünschten Rate geöffnet wird, und zwar durch einen Vorsprung an einem hin- und hergehenden Kolben. Eine solche Lösung kann bei einem Drehkolbenmotor nicht verwendet werden, bei welchem sich Drehkolben nicht hin- und herbewegen, sondern sowohl eine Rotations- als auch eine Translationsbewegung ausführen.

Die Erfindung hat sich in erster Linie zum Ziel gesetzt, einen verbesserten Drehkolbenmotor vorzusehen, der insbesondere eine eine veränderbare Zumeßöffnung aufweisende Vorkammer besitzt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Ziel bei einer Anordnung erreicht, die ein Gehäuse mit Wänden aufweist, welche eine Arbeitskammer bilden, und wobei innerhalb des Gehäuses eine Vorkammer angeordnet ist, und wobei ferner eine Öffnung in einer der Wände eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Kaiiii'iar und der Vorkammer herstellt und Mittel vorhanden sind, um Brennstoff in die Vorkammer einzuleiten. Im Gehäuse ist eine Welle drehbar gelagert und erstreckt sich durch die Kammer hindurch. Auf der Welle ist ein Rotor drehbar und innerhalb des Gehäuses gelagert und besitzt eine Oberfläche, die zyklisch in die Nähe der einen die Öffnungen aufweisenden Wand und der darin befindlichen Öffnung gebracht ist, um zyklisch ein Sauerstoff enthaltendes Medium in der Vorkammer zu komprimieren. Ferner sieht die Erfindung Mittel einschließlich eines Teils der Rotoroberfläche vor, um die effektive Größe der Öffnung zu verändern, um auf diese Weise die Strömungsrate der Verbrennungsgase von der Vorkammer in die Arbeitskammer mit einer gewünschten Rate zu steuern.

Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel umfassen die Steuermittel eine Steuerausnehmung derart angeordnet in der Rotoroberfläche, daß sie an der Öffnung von der Vorkammer während des Motorbetriebs vorbeiläuft, und zwar bei oder darauffolgend auf die maximale Kompression des Sauerstoff enthaltenden

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Mediums, wobei die Steuerausnehmung eine solche Form besitzt, daß die Strömung der Verbrennungsgase aus der Vorkammer in die Arbeitskammer auf die vorbestimmte gewünschte Rate gesteuert wird und zwar durch die Form der Rotoroberfläche um die Ausnehmung herum durch die Nähe der Rotoroberfläche und der Ausnehmung zur Öffnung.

Gemäß einem außerordentlich bevorzugten Ausführungsbeispiel· ist eine zusätziiche Ausnehmung in der Rotoroberfiäche getrennt von der Steuerausnehmung vorgesehen, und zwar derart angeordnet, daß der freie Eintritt des Mediums in die Öffnung vor der maximalen Kompression gestattet ist, und ein Teil der Rotoroberfläche zwischen den Ausnehmungen schließt die Öffnung im wesentlichen bei maximaler Kompression ab.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.: in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemaßen Drehkolbenmotor, und zwar insbesondere einen Drehkolbenmotor mit Schrägachse;

Fig. 2 eine vergrößerte schematische , abgewickelte Teilansicht, welche die Beziehung eines Teils einer Rotoroberfläche bezüglich einer Wand der Arbeitskammer in einem Motor und einer damit verbundenen Vorkammer darstellt, und zwar bei mehreren Betriebsstufen des Motors;

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich Fig. 2, wobei die Beziehung der Komponenten bei darauffolgenden Betriebsstufen des Motors dargestellt ist;

Fig. 4 eine schematische Teilansicht eines Teils des Rotors.

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Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Motor ist in Fig. 1 in der Form eines Viertakt-Drehkolbenmotors mit Schrägachse dargestellt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäßen Prinzipien auch bei anderen Drehkolbenmotoren als solchen mit Schrägachse verwendbar sind, wie beispielsweise bei Motoren der Epitrochoid- und Hypotrochoid-Bauart. Darüber hinaus sind die Grundsätze der Erfindung bei Motoren anwendbar, die eine andere Taktzahl als 4 aufweisen.

Der Motor besitzt ein Gehäuse 10 mit einer radial innen liegenden sphärischen Wand 12, einer radial aussen liegenden sphärischen Wand 14 und verbindenden, im ganzen sich radial erstreckenden entgegengesetzt liegenden Seitenwänden 16. Die Wände 16 besitzen im Falle einer Viertakt-Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse eine konische und im ganzen sinusförmige Gestalt.

Die Wände 12, 14 und 16 bilden eine Arbeitskammer 18. Eine einen winkelmäßig versetzten Teil oder Exzenter 22 aufweisende Welle 20 wird durch Lager 24 drehbar innerhalb des Gehäuses 10 derart gelagert, daß sie sich durch die Arbeitskammer 18 hindurcherstreckt. Ein im ganzen mit 26 bezeichneter Rotor ist auf dem Exzenter 22 durch Lager 28 drehbar gelagert und umfaßt eine im ganzen sphärische oder kugelförmige Nabe 30 und einen sich radial nach aussen erstreckenden ümfangsflansch 32.

Der Ümfangsflansch 32 ist derart ausgebildet, daß er drei Scheitel auf jeder Seite besitzt, wobei die Scheitel auf einer Seite bezüglich der Scheitel auf der anderen Seite versetzt sind. Verschiedene Dichtungen werden sowohl vom Flansch als auch von der kugelförmigen Nabe 30 in bekannter Weise getragen, und zwar gehören dazu Umfangsdichtungen, die mit der radial aussen gelegenen sphärischen Wand 14 in Berührung stehen, Nabendichtungen, die mit der radial innen gelegenen sphärischen Wand 12 in Berührung stehen und Scheiteldichtungen, die mit einer entsprechenden Endwand 16 in Berührung stehen.

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In bekannter Weise erfolgt bei einer Drehkolbenvorrichtung mit Schrägachse die Verbrennung auf bei'den Seiten des Flansche 32 des Rotors 26, wobei erfindungsgemäß in der Zone maximaler Kompression ein Paar von Vorkammern 36 angeordnet ist, und zwar eine für -jede Seite des Flanschs 32. Jede Vorkammer 36 besitzt eine entsprechende Öffnung 38 in der zugehörigen Endwand 16 und öffnet sich in die Arbeitskammer 18,um eine Strömungsmittelverbindung dazwischen herzustellen. Zudem sind Mittel, wie beispielsweise eine übliche Brennstoffeinspritzvorrichtung 40, vorgesehen, um Brennstoff in jede der Vorkammern 36 einzuspritzen.

In den Figuren 2 bis 4 sieht man, daß der Rotorflansch 32 zwischen jedem der Scheitel 42 erfindungsgemäß mit einer Steuerausnehmung 44 und einer zusätzlichen Ausnehmung 46 ausgestattet ist, wobei diese Ausnehmungen gesondert und mit Abstand voneinander angeordnet sind. Die beabsichtigte Bewegungsrichtung des Rotors ist durch einen Pfeil 48 angedeutet und die Ausnehmung 46 läuft vor der Ausnehmung 44 an der Öffnung 38 vorbei.

Insbesondere ist die Ausnehmung 46 derart angeordnet, um so eine relativ freie Strömung eines Verbrennungsstützmediums durch die Öffnung 38 in die Vorkammer 36 zu gestatten, bevor die maximale Kompression des Mediums erreicht wird. Beispielsweise ist in Fig. 2 durch Strichelung die relative Konfiguration der Komponenten bei annähernd 60 Grad der Rotordrehung dargestellt, und zwar an der Stelle vorbei, wo die Kompression ein Minimum wäre. Der Fachmann erkennt, daß vor der Erreichung der Konfiguration der Komponenten gemäß Fig. 2 die Seitenoberfläche 50 des Rotors, in der die Ausnehmungen 44 und 46 ausgebildet sind, mit einem hinreichenden Abstand gegenüber der Endwand 16 derart angeordnet wäre, daß dann, wenn die Kompression eingeleitet wurde, die freie Strömung des Mediums in die Vorkammer 36 auftreten würde.

Wenn sich die Drehung des Rotors 48 fortsetzt, so bewegt sich die Oberfläche 56 allmählich in engere und engere Nachbarschaft mit der Öffnung 38, wodurch progressiv die freie Gasströmung in und aus der Öffnung 38 gestört wird. Da diese Störung offen-

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sichtlich den Wirkungsgrad des Motorbetriebs hemmt, muß sie minimiert werden und die Ausnehmung 46 ist für diesen Zweck vorgesehen. Das Vorhandensein der Ausnehmung 46 gestattet speziell die relativ freie Strömungsmittelströmung in die Vorkammer 36 an Punkten unmittelbar vor demjenigen, wo maximale Kompression erreicht wird. Dies wird dadurch erreicht, daß man das hintere Ende 52 der Ausnehmung 46 derart anordnet, daß es an der Öffnung 38 an einem Punkt gerade vor dem sogenannten oberen Totpunkt vorbeiläuft.

Infolgedessen blockiert eine Insel 54 oder ein Teil der Oberfläche 50 zwischen den Ausnehmungen 44 und 46 im wesentlichen die Öffnung 38 dann, wenn der obere Totpunkt erreicht ist, wie dies durch die nicht gestrichelte Darstellung der Fig. 3 und die Teildarstellung der Fig. 4 gezeigt ist, wobei die Öffnung 36 in gestrichelten Linien überlagert dargestellt ist. Aus Gründen der Klarheit der Darstellung zeigt Fig. 2 auch die darauffolgende Stellung der hinteren Kante des Kraters oder der Ausnehmung 46 in gestrichelten Linien sowie mit Bezugszeichen, die mit einem Strich versehen sind.

Bei einem typischen Arbeitszyklus wird Brennstoff in die gewünschte der Vorkammern 36 eingespritzt, und zwar bei oder ungefähr am oberen Totpunkt und der Verbrennungsprozess beginnt. Beim, oder ungefähr beim, Beginn der Einleitung des Verbrennungsprozesses, üblicherweise ungefähr bei oder darauffolgend auf die Erreichung des oberen Totpunktes, d.h. maximaler Kompression, ist es erwünscht, daß die Strömungsrate der Verbrennungsgase von der Vorkammer 36 zur Arbeitskammer gesteuert wird, um beispielsweise einen Betrieb mit konstantem Druck zu erreichen. Dies wird durch das Vorhandensein der Steuerausnehmung 44 erreicht, die erfindungsgemäß derart angeordnet ist, daß sie mit einer Kante einen Teil des Umfangs der Öffnung 36 am gewünschten Zeitpunkt überlappt. Wenn sich die Rotordrehung 48 weiter fortsetzt, wird ein größer und größer werdender Teil der Öffnung 38 gegenüber der Ausnehmung 44 freigelegt, was größer und größer werdende Strömungsraten gestattet.

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infolgedessen kann durch geeignete Ausgestaltung der Ausnehmung
44 die Strömungsrate während eines Verbrennungsprozesses vollständig geregelt werden, um die gewünschten Leistungsanforderungen zu erhalten, und zwar abhängig von Faktoren wie Winkelgeschwindigkeit, Leistungsabgabe, Emissionskontrolle, Spitzendruck, usw.

Wenn der Rotor seine Bewegung in Richtung des Pfeiles 48 fortsetzt, so wird seine Oberfläche 50 sich weiter von der Endwand
16 wegbewegen bis zu einem Zeitpunkt, bei dem eine relativ freie Strömung von der Öffnung 38 vorhanden ist, wobei zu diesem Zeitpunkt der Motor sehr ähnlich wie ein Motor mit direkter Einspritzung arbeitet und dessen Vorteile besitzt.

Aus der vorstehenden Beschreibung erkennt man, daß der erfindungsgemäße Motor alle Vorteile der Motoren mit hin- und herbewegbarem Kolben aufweist, die mit veränderbarer Zumeßöffnung ausgestattete Vorkammern aufweisen, wobei dies durch eine einfache und wirtschaftliche Konstruktion erreicht wird. Die erfindungsgemäßen Prizipien können bei sogenannten Wankel-Motoren (Epitrochoid-Motoren) und
auch bei Hypotrochoidmotoren sowie modifizierten Hypotrochoid-Motoren Verwendung finden. Bei Motoren der letztgenannten Kategorie kann die Erfindung mit großer Wirksamkeit insoferne verwendet werden, als diese derart konstruiert sind, daß der Rotor theoretisch das Gehäuse an seiner Einschnürung oder in unmittelbarer Nachbarschaft praktisch zu allen Zeiten des Arbeitszyklusses berührt. Demgemäß kann dadurch, daß man die Öffnung von der Vorkammer an der
Einschnürzung derartiger Vorrichtungen anordnet, die Gasströmung
zu allen Zeiten gesteuert werden, und zwar durch das Vorsehen
einer relativ schmalen Ausnehmung, deren Seiten derart geformt sind, daß sie die gewünschte Gasströmungsrate vorsehen. Die Erfindung hat besondere Vorteile bei kompressionsgezündeten Motoren, ist jedoch keineswegs auf solche Motoren beschränkt.

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Leerseite

Claims (5)

Ansprüche

1.i Drehkolbenmotor mit einem Gehäuse, welches eine Arbeitskammer bildende Wände aufweist und in dem eine Welle drehbar gelagert ist und sich durch die Kammer erstreckt, und wobei auf der Welle in der Kammer ein Rotor drehbar gelagert ist, gekennzeichnet durch eine mit dem Gehäuse (10) verbundene Vorkammer (36), eine in einer der Wände (12, 14, 16) ausgebildete Öffnung (38) zur Herstellung einer Strömungsmittelverbindung zwischen der Kammer (18) und der Vorkammer (36), Mittel (40) zum Einführen von Brennstoff in die Vorkammer (36), wobei der Rotor (26) eine Oberfläche (50, 54) aufweist, die zyklisch in die Nähe der erwähnten einen Wand und der Öffnung gebracht wird, um zyklisch ein Sauerstoff enthaltendes Medium innerhalb der Vorkammer zu komprimieren, und wobei ferner eine Steuerausnehmung (44) in der erwähnten Oberfläche angeordnet ist, um an der Öffnung (38) während des Motorbetriebs vorbeizulaufen, und zwar ungefähr bei oder darauffolgend auf die maximale Kompression des Mediums, und wobei die Steuerausnehmung (44) eine Form derart besitzt, daß die Strömung der Verbrennungsgase von der Vorkammer (36) in die Arbeitskammer (18) durch die Form der Oberfläche um die Ausnehmung (44) und die Nachbarschaft der Oberfläche und der Ausnehmung zur Öffnung auf eine vorbestimmte gewünschte Rate gesteuert wird.

2. Motor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Ausnehmung (46) in der erwähnten Oberfläche, getrennt von der Steuerausnehmung derart angeordnet, daß der freie Eintritt des Mediums in die Öffnung vor der maximalen Kompression des Mediums gestattet ist.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil (54) der Oberfläche zwischen den Ausnehmungen (44, 46) im wesentlichen die öffnung bei maximaler Kompression des Mediums abschließt.

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-n-

4. Drehkolbenmotor, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Elemente:

ein Gehäuse (10) mit eine Arbeitskammer (18) bildenden Wänden (12, 14, 16),

eine mit dem Gehäuse verbundene Vorkammer (36), eine in einer der Wände vorgesehene Öffnung (38) , welche die Strömungsmittelverbindung zwischen der Kammer und der Vorkammer herstellt,

Mittel (40) zum Zwecke des Einführens von Brennstoff in die Vorkammer,

eine im Gehäuse drehbar gelagerte Welle (2O), die sich durch die Kammer erstreckt,

einen auf der Welle innerhalb der Kammer drehbar gelagerten Rotor (26) mit einer Oberfläche (44, 46, 50, 54), die zyklisch in die Nähe der erwähnten einen Wand und der Öffnung gebracht wird, um zyklisch ein Sauerstoff enthaltendes Medium innerhalb der Vorkammer zusammenzupressen, und wobei die Oberfläche derart konstruiert und bezüglich der Öffnung angeordnet ist, daß die Größe des Gasströmungspfades einschließlich der Öffnung derart verändert wird, um eine gewünschte Verbrennungscharakteristik während des Motorbetriebs zu erhalten.

5. Drehkolbenmotor, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (10) mit Wänden (12, 14, 16), die eine Arbeitskammer (18) bilden, und wobei mit dem Gehäuse eine Vorkammer (36) verbunden ist, während in einer der Wände eine Öffnung (38) ausgebildet ist, die die Stromungsmittelverbindung zwischen der Kammer und der Vorkammer herstellt, und wobei Mittel (40) zum Einführen von Brennstoff in die Vorkammer dienen, und wobei schließlich eine Welle (20) im Gehäuse drehbar gelagert ist und sich durch die Kammer erstreckt, und wobei auf der Welle innerhalb der Kammer ein Rotor drehbar gelagert ist und eine Oberfläche (44, 46, 50, 54) aufweist, die zyklisch in die Nähe der erwähnten einen Wand und der Öffnung gebracht wird, um zyklisch ein Sauerstoff enthaltendes Medium innerhalb der Vorkammer zusammenzupressen, und wobei schließlich Mittel einschließlich eines Teils (44, 46, 54) der Oberfläche vorgesehen sind, um die effektive Größe der Öffnung zu verändern, um auf diese Weise die Strömung der Verbrennungsgase von der Vorkammer in die Kammer mit einer gewünschten Rate zu steuern.

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ORIGINAL INSPECTED