DE3210430A1

DE3210430A1 - Rotationskolbenbrennkraftmaschine

Info

Publication number: DE3210430A1
Application number: DE19823210430
Authority: DE
Inventors: Vasilij Grigorievi&ccaron; Dja&ccaron;enko; Evgeij Nikolaivi&ccaron; Tolijatti Esmanskij; Michail Alekseevi&ccaron; Tolijatti Kor&zcaron;ov; Aleksandr Aleksandrovi&ccaron; Ochrjamkin; Michail Grigorievi&ccaron; Charkov Sandomirskij
Original assignee: VOLZH OB PROIZV
Current assignee: VOLZH OB PROIZV
Priority date: 1982-03-22
Filing date: 1982-03-22
Publication date: 1983-09-22

Description

SCHIFF v.FÜNER STft^Ht" SCHüefEL-riÖW· EBBINGHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 Λ 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 01 6O, D-800O MÖNCHEN 95

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KARL LUDWIQ SCHIFF (IE)GA-1078)

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER ν. FÜNtR

DlPL. ING. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF

DIPL. IN©. DIETER EBBINGHAUS

DR. INO. DIETER FINCK

TELEFON (Ο8Θ) 48 2Ο54-

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Rotationskolbenbrennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, die auch als Antriebsmotor für Kraftwagen, Motorräder, Motorschlitten 5 oder auch als stationäre Kraftanlage benutzt werden kann.

Es ist bereits eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine bekannt (GB-PS 103 9 546), bei welcher in einem Gehäuse eine Brennkammer ausgebildet ist, die innen eine Trochoidfläche aufv/eist. Die Brennkammer steht mit einem Kanal für den Gaseinlaß und einem Kanal für den Auslaß der Verbrennungsprodukte in Verbindung. Der Gaseinlaßkanal ist im Seitendeckel des Gehäuses ausgeführt, der Auslaßkanal für die Verbrennungsprodukte im Gehäuse selbst und erstreckt sich von der Tro- choidflache der Brennkammer bis zur Aupenflache des Gehäuses. Die bekannte Brennkraftmaschine hat eine Vorkammer, die im Gehäuse liegt. Die Vorkammer steht mit der Brennkammer über einen Flammkanal in Verbindung, der in der Zone der kleinen Trochoidachse verläuft. Die Vorkammer ist mit einer Düse zum Einspritzen von Kraftstoff, die einen Zerstäuber aufweist, . und mit einer Zündkerze zum Entzünden des Kraftstoff-Luft-Gemisches versehen. Die Vorkammer hat eine stufenartige Form. Sie besteht aus einem Kegelstumpf, dessen Spitze zum

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Brennraum gerichtet ist, und einem zu dem Kegelstumpf gleichachsigen Zylinder, in den die Kegelgrundfläche übergeht. Die Düse mit dem Zerstäuber zum Einspritzen des Kraftstoffes sitzt auf der Vorkammerachse an der Stirnfläche des Zylinders. Auf der zylindrischen Oberfläche der Vorkammer ist im Anordnungsbereich des Düsenzerstäubers die Zündkerze vorgesehen. In der Brennkammer ist eine Exzenterwelle angeordnet, auf deren Lager ein dreikantiger Rotor montiert ist. An den Rotorspitzen, die Kantenschnittlinien darstellen, sind Nuten ausgeführt, in denen radiale Abdichtungen liegen, welche durch die in diesen Nuten angeordneten Flachfedern an die Trochoidflache der Brennkammer gepreßt werden. An den Stirnflächen des Rotors sind bogenförmige Nuten ausgeführt, in denen ebenfalls abgefederte Stirnabdichtungen angeordnet sind, die ständig an die Seitendeckel des Gehäuses gepreßt werden. An den Stirnflächen des Rotors sind Ringnuten ausgeführt, in denen Öldichtungen angeordnet sind. Um die Dichtung zwischen den radialen Abdichtungen und den Abdichtungen an den Stirnflächen zu vervollständigen, sind an den Rotorspitzen zylindrische Sacklöcher ausgeführt, in denen abgefederte Abdichtungszylinder angeordnet sind. Die Brennkammer mit dem darin auf der Exzenterwelle angeordneten Rotor ist auf beiden Seiten durch Seitendeckel mit in diesen sitzenden Lagern für die Exzenterwelle abgeschlossen.

In einem der Seitendeckel ist ein außenverzahntes Synchronrad angeordnet, das mit dem auf dem Rotor befestigten Synchronzahnrad in Eingriff steht. Die Synchronräder sichern für den Rotor einen Trochoidenlauf. Die Exzenterwelle ist in der Brennkammer drehbar angeordnet. Dabei werden zwischen den Rotorkanten, den Seitendeckeln des Gehäuses und der inneren Trochoidflache der Brennkammer Hohlräume mit veränderlichem Volumen gebildet, in denen der Viertaktprozeß der Brennkraftmaschine abläuft.

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Die bekannte Brennkraftmaschine hat den Nachteil, daß eine vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei allen Betriebszuständen des Motors sehr schwer zu erreichen ist, da bei der beschriebenen An-Ordnung der Düse mit Zerstäuber und der Zündkerze des Kraftstoff-Luft-Gemisch sich im Bereich der Zündkerzenelektroden hinsichtlich seiner Zusammensetzung abhängig vom jeweiligen Antriebszustand wesentlich ändert und die Entzündbarkeit des Gemisches bei einigen Betriebszuständen außerhalb der Entzündbarkeitsgrenzen liegt. Der zuverlässige Betriebsbereich wird durch die Entzündbarkeitsgrenze des Kraftstoff-Luft-Gemisches aufgrund seiner Zusammensetzung bestimmt. Deshalb wird in Einzelfällen bei der beschriebenen ähnlichen Brennkraftmaschinen eine kombinierte Leistungsregelung angewandt. Dabei wird jedoch der Wirkungsgrad vermindert, der die Emission von Giftsubstanzen mit den Abgasen erhöht und auch die Kraftstoff zuführeinrichtung kompliziert und aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotationskolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, bei der die Vorkammer konstruktiv so ausgebildet ist, daß eine ausreichend vollständige Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches bei allen Betriebszuständen gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird bei der Rotationskolbenbrennkraftmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Vorkammer ein vom Düsenzerstäuber an auseinanderstrebender Kegel ist und in der Vorkammer eine weitere Zündkerze angeordnet ist, die in einem größeren Abstand vom Düsenzerstäuber als die Zündkerze angeordnet ist.

Eine solche Bauart der Rotationskolbenbrennkraftmaschine gewährleistet eine ausreichend vollständige Entmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches sowohl zwischen der Brennkammer und der Vorkammer als auch in der Vorkammer selbst, was für die vollkommene Verbrennung des Kraftstoff-Luft-

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Gemisches im ganzen Betriebsbereich besonders wichtig ist.

Die Ausführung der Vorkammer in Form eines vom Düsenzerstäuber an auseinandergehenden Kegels entspricht am vollständigsten der Form des Sprühstrahls des zerstäubten Kraftstoffes. Abhängig vom Betriebszustand ändert sich dabei die Ausbreitungstiefe des Sprühstrahls des zerstäubten Kraftstoffes längs der Vorkammerachse.

Bei Leerlaufbetrieb und Teillastbetrieb befindet sich das am leichtesten entzündliche Gemisch an der Zündkerze, die im Bereich des Düsenzerstäubers sitzt. An der Zündkerze, die in einem größeren Abstand vom Zerstäuber angeordnet ist, hat das Kraftstoff-Luft-Gemisch zu wenig Kraftstoff und kann sich nicht entzünden, deshalb wird bei diesen Betriebszuständen die Zündkerze wirksam, die am Düsenzerstäuber sitzt. Bei diesen Betriebszuständen erreicht der Luftüberschußfaktor einen Wert von 1,4 bis 2,0.

Bei Betriebszuständen mit größerer Kraftstoffzufuhr ist das Kraftstoff-Luft-Gemisch an der Zündkerze, die im Bereich des Düsenzerstäubers sitzt, stark mit Kraftstoff gesättigt und entzündet sich nicht» Bei diesen Betriebszuständen erfolgt die Zündung des Gemisches durch die Zündkerze, die in einem größeren Abstand vom Düsenzerstäuber angeordnet ist.

Der Abstand zwischen dem Düsenzerstäuber und der Zündkerze beträgt zweckmäßigerweise etwa das 0,1-fache bis etwa 0,4-fache der Vorkammerlänge. Der Abstand zwischen dem Zerstäuber und der weiteren Zündkerze beträgt etwa das 0*6- bis etwa 1,0-fache der Vorkammerlänge.

Die Anordnung der Zündkerze in einem Abstand vom Düsenzerstäuber, der etwa das 0,1-fache bis etwa das 0,4-fache der Vorkammerlänge beträgt, gewährleistet eine zuverlässige Zündung des Gemisches beim Leerlaufbetrieb und Teillastbetrieb, da bei diesen Betriebszuständen das Kraftstoff-Luft-Gemisch in diesem Abschnitt der Vorkammerlänge die am leichtesten entzündliche Zusammensetzung aufweist.

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Die Anordnung der Zündkerze in einem Abstand, der größer als das 0,4-fache der Vorkammerlänge ist, vermindert den störungsfreien Betriebsbereich bei Teillast und im Leerlauf infolge des geringen Kraftstoffgehaltes im Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerzenelektroden. Ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit einem geringen Kraftstoffgehalt zündet abhängig vom Kraftstoffgehalt im Gemisch schlecht oder überhaupt nicht. Die Anordnung der Zündkerze in einem Abstand, der kleiner als das 0,1-fache der Vorkammerlänge ist, verursacht ebenfalls Betriebsstörungen infolge eines Naßwerdens der Zündkerzenelektroden und infolge eines größeren Kraftstoffgehalts im Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Nähe der Zündkerzenelektroden. Hierdurch zündet das Kraftstoff-Luft-Gemisch mit hohem Kraftstoffgehalt ebenfalls schlecht oder überhaupt nicht.

Die Anordnung der anderen Zündkerze in einem Abstand zwischen dem etwa 0,6-fachen bis etwa 1,0-fachen der Vorkammerlänge gewährleistet eine zuverlässige Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches im Lastbetrieb, da bei diesen Betriebszuständen das Kraftstoff-Luft-Gemisch in diesem Abschnitt der Vorkammerlänge die am leichtestens entzündliche Zusammensetzung aufweist.
Die Anordnung der anderen Zündkerze in einem Abstand von weniger als dem 0,6-fachen der Vorkammerlänge erschwert den Betrieb infolge des erhöhten Kraftstoffgehaltes im Kraftstoff-Luft-Gemisch im Bereich der Zündelektroden der anderen Kerze, wodurch das Gemisch schlecht zündet. Der zweite Grenzwert der Zündkerzenanordnung, der beim 1,0-fachen der Vorkammerlänge liegt, ist durch die Vorkammerlänge gegeben.

Das Verhältnis zwischen der Länge der Vorkammer und dem maximalen Durchmesser ihres Querschnittes soll etwa 2 bis etwa 5 betragen.

Das Verhältnis zwischen der Länge der Vorkammer und dem maximalen Durchmesser ihres Querschnitts ist durch die

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optimalen Verhältnisse zum Entmischen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer und zum Reinigen der Vorkammer nach der Verbrennung des Gemisches von Restgasen bedingt.

Bei einer Verminderung des Verhältnisses zwischen der Länge der Vorkammer und dem maximalen Durchmesser ihres Querschnittes auf weniger als zwei entsteht in der Vorkammer eine erhebliche Gasturbulenz, die ein Entmischen des Kraftstoff-Luft-Gemisches verhindert und eine Homogenisierung des Gemisches begünstigt, d.h. ein Mischen bis zum Erzeugen einer homogenen Zusammensetzung, wodurch ein unstabiler Betrieb beim Leerlauf und im Teillastbereich verursacht wird.
Eine Steigerung des Verhältnisses zwischen der Länge der Vorkammer und dem maximalen Durchmesser ihres Querschnitts auf über fünf verursacht eine ungenügende Leerung der Vorkammer von Restgasen infolge der großen Erstreckung der Vorkammer. Im Bereich des Düsenzerstäubers bleibt eine große Restgasmenge, die sich mit dem Kraftstoff-Luft-Gemisch vermischt und die Zündung und Verbrennung des Gemisches verlangsamt, wodurch der Betrieb verschlechtert wird.

Die Vorkammer hat vorteilhafterweise einen Rauminhalt, bei dem das Verhältnis zwischen seiner Größe und der Größe der Querschnittsfläche des Flammkanals etwa 100 cm bis etwa 10 cm beträgt, weil dabei eine genügende Leerung der Vorkammer von Restgasen bei einer zulässigen Menge an überströmendem Gas aus einem Hohlraum des veränderlichen Volumens in den anderen Hohlraum des veränderlichen VoIumens im Augenblick des Durchgangs der radialen Abdichtung an der Öffnung des Flammkanals bei drehendem Rotor gewährleistet ist und unbedeutende Verluste beim Überströmen des Gases aus der Brennkammer in die Vorkammer und umgekehrt auftreten.

Eine Vergrößerung des Verhältnisses über 100 cm verursacht große Verluste beim Überströmen des Gases aus der

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Brennkammer in die Vorkammer und umgekehrt und verschlechtert die Leerung der Kammer von Restgasen infolge der erheblichen Drosselwirkung des Flammkanals. Eine Verminderung des Verhältnisses unter 10 cm verursacht ein starkes Überströmen des Gases aus einem Hohlraum des veränderlichen Volumens in den anderen Hohlraum des veränderlichen Volumens im Augenblick des Durchgangs der radialen Abdichtung vorbei an der Öffnung des Flammkanals bei drehendem Rotor, was den Wirkungsgrad der Maschine negativ beeinflußt.

Eine Verminderung des Verhältnisses unter 10 cm vergrössert außerdem die Turbulenz im Inneren der Vorkammer, was das Entmischen des Kraftstoff-Luft-Gemisches nachteilig beeinflußt.

Das Verhältnis zwischen dem Rauminhalt der Vorkammer und dem der Brennkammer soll etwa 0,4 bis etwa 1,0 betragen, weil dabei die ganze in der Brennkammer vorhandene Luft zur Oxydierung des Kraftstoffes benutzt v/erden kann, wobei annehmbare Verdichtungsverhältnisse erhalten bleiben.

Eine Verminderung dieses Verhältnisses unter 0,4 bedeutet eine unvollständige Nutzung der Luft in der Brennkammer und somit Leistungsverluste. Eine Vergrößerung des Verhältnisses über 1,0 vermindert erheblich das Verdichtungsverhältnis, was ebenfalls Leistungs- und Wirkungsgradverluste bedeutet.

Die Längsachse der Vorkammer soll im wesentlichen mit der Achse des Flammkanals zusammenfallen und mit der'kleinen Trochoidachse einen Winkel von etwa 15° bis etwa 70° bilden. Bei diesem ¥inkelbereich der Neigung zwischen Vorkammer-Längsachse und Flammkanal wird ein Abreißen der aus dem Flammkanal austretenden Flamme unterbunden. Ein Neigungswinkel der Achse von weniger als 15° verursacht ein Abreißen der Flammen infolge der größeren Relativgeschwindigkeit der Gasströme, die aus dein nacheilenden Teil des einen der Hohlräume des veränderlichen Volumens in den voreilenden Teil dieses Kohlraums überströmen und infolge

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der aus dem Flammkanal in Richtung des Rotorlaufes ausströmenden Gase.

Wenn die eine Rotorkante eine Stellung einnimmt, bei welcher der Hohlraum des veränderlichen Volumens, das zwischen dieser Kante, der Trochoidflache der Brennkammer und den Seitendeckeln eingeschlossen ist, einen minimalen Rauminhalt aufweist, wird der Hohlraum des veränderlichen Volumens längs der Berührungslinie zwischen dieser Rotorkante und der Trochoidfläche der Brennkammer im Bereich der kleinen Trochoidachse in zwei Teile geteilt.

Bei drehendem Rotor ist der eine Teil des Hohlraums des veränderlichen Volumens in Bezug auf die F.otorlaufrichtung ein voreilender Teil, der andere ein nacheilender bzw. verzögernder Teil. Der nacheilende Teil des Hohlraums des veränderlichen Volumens nimmt ab, der voreilende nimmt zu, was eine hohe Gasüberströmgeschwindigkeit aus dem nacheilenden Teil in den voreilenden Teil im Bereich der kleinen Trochoidachse ergibt. Dies kann bei kleinen Neigungswinkeln der Vorkammerachse zur kleinen Trochoidachse ein Abreißen der Flamme hervorrufen. Mit einer Vergrößerung des "Winkels nimmt die Flammenabreißwirkung ab. Eine Vergrößerung des Winkels über 70° ist konstruktiv nicht zweckmäßig.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch im Schnitt eine Rotationskolbenbrenn-

kraftmaschine

und
Fig. 2 a bis 2 d und

Fig. 3 a bis 3 d Betriebskennlinien.

Die in Fig. 1 gezeigte Rotationskolbenbrennkraftmaschine hat ein Gehäuse 1, in dem eine Brennkammer 2 ausgebildet ist, die eine innere Trochoidfläche 2a auf v/eist und an den Stirnflächen durch nicht gezeigte Deckel begrenzt ist.

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Das Gehäuse 1 hat einen Kanal 3 für den Gaseinlaß in die Brennkammer 2 und einen Kanal 4 zum Auslaß der Verbrennungsprodukte aus der Brennkammer 2. Die Kanäle 3 und 4 laufen parallel zueinander und zur Querachse 5 des Gehäuses 1, die die kleine Trochoidachse darstellt. Die Kanäle 3 und 4 liegen symmetrisch in Bezug auf die Achse 5. Die genaue Anordnung der Kanäle 3 und 4 wird den erforderlichen Steuerzeiten entsprechend vorgenommen. In der Wand des Gehäuses 1 sind durchgehende Kanäle 6 für einen Kühlflüssigkeitsstrom ausgebildet. In der Brennkammer 2 ist auf ihrer Längsachse 7 eine Welle 8 mit einem Exzenter 9 angeordnet, die als Leistungsentnahmewelle der Maschine dient. Die Welle 8 ist drehbar in nicht gezeigten Lagern in den Stirndeckeln des Gehäuses 1 angeordnet. In der Brennkammer 2 sitzt ein Rotor 10, der in einem Lager 11 der Exzenterwelle 8 drehbar angeordnet ist. Der Rotor 10 ist dreikantig ausgeführt, wobei jede seiner Kanten 12 eine Fläche auf v/eist, die im Querschnitt eine innere Trochoidhüllkurve darstellt. An den Schnittstellen der Kanten 12 sind Nuten ausgeführt, in die radiale Abdichtungen 13 eingesetzt sind, die durch nicht gezeigte Flachfedern an die Trochoidfläche 2a der Brennkammer 2 gepreßt v/erden. An den Stirnflächen des Rotors 10 sind bogenförmige Nuten mit eingesetzten Abdichtungen 14 ausgeführt, die ständig durch nicht gezeigte Federn an die Seitendeckel der Brennkammer 2 gepreßt werden. Als Stoßverbindung der radialen Abdichtungen 13 mit den Stirnabdichtungen 14 werden an den Spitzen des Rotors 10 zylindrische Sacköffnungen ausgeführt, in denen Zylinder 15 angeordnet sind, die durch nicht gezeigte Federn an die Seitendeckel der Brennkammer 2 gepreßt werden. An den Stirnflächen des Rotors 10 sind Ringnuten ausgeführt, in denen Ölabstreifringe 16 sitzen, die durch nicht gezeigte Federn an die Seitendeckel der Brennkammer 10 gepreßt werden.

Beim Lauf des Rotors 10 im Lager 11 bilden sich zwischen den Kanten 12 des Rotors 10, den Seitendeckeln der Brennkammer 2 und der Trochoidfläche 2a der Brennkammer 2

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Hohlräume mit veränderlichen Volumen, in denen der Viertaktprozeß der Brennkraftmaschine abläuft. Am Gehäuse 1 ist an der der mit den Kanälen 3 und 4 versehenen Seite gegenüberliegenden Seite eine'Vorkammer 17 ausgeführt, welche mit der Brennkammer 2 durch einen Flammkanal 18 im Bereich der Querachse 5 des Gehäuses 1 in Verbindung steht.

Die Vorkammer 17 hat die Form eines auseinandergehenden Kegels, an dessen Spitze eine Düse 19 und ein Zerstäuber 20 zum Einspritzen von Kraftstoff in die Vorkammer 17 im wesentlichen gegenüber der Einlauföffnung des Flammkanals 18 angeordnet sind. Im Bereich des Zerstäubers 20 der Düse 19 ist eine Zündkerze 21 angeordnet. In einem Abstand, der größer ist als der zwischen der Zündkerze 21 und dem Zerstäuber 20 der Düse 19, also näher am Flammkanal 18, ist eine weitere Zündkerze angeordnet. Der Abstand zwischen dem Zerstäuber 20 der Düse 19 und der Zündkerze 21 beträgt das 0,25-fache der Vorkammerlänge. Dadurch ist eine stabile Zündung des Kraftstoff-Luft-Gomisches in der Vorkammer 17 bei Leerlauf und Teillast gewährleistet. Der Abstand zwischen der Düse 19 und der anderen Zündkerze 22 beträgt das 0,9-fache der Länge der Vorkammer 17, was einen störungslosen Lauf der Brennkraftmaschine bei hoher Last gewährleistet.

Das Verhältnis zwischen der Länge der Vorkammer 17 und dein maximalen Durchmesser ihres Querschnitts beträgt 3,5* wodurch optimale Bedingungen für eine Entmischung des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 17 und zum Leeren der Vorkammer 17 von Restgasen nach dem Ablauf der Kraftstoffverbrennung gewährleistet sind.

Das Verhältnis zwischen Rauminhalt der Vorkammer 17 und der Größe der Querschnittsfläche des Flammkanals 18 beträgt 43 cm, so daß das Überströmen der Gase in die Vorkammer 17 und in umgekehrter Richtung nicht behindert wird, eine gute Leerung der Vorkammer 17 von Restgasen gewährleistet ist, keine wesentliche Turbulenz erzeugt wird, die

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das Entwischen des Kraftstoff-Luft-Gemisches in der Vorkammer 17 verschlechtern könnte und die Gasüberströmmenge aus dem einen Hohlraum des veränderlichen Volumens in den anderen im Augenblick des Durchgangs der radialen Abdichtung 13 vorbei an der Einlauföffnung des Flammkanals 18 auf einem annehmbaren Niveau gehalten wird.

Das Verhältnis zwischen dem Rauminhalt der Vorkammer und dem der Brennkammer 2 beträgt 0,5, wodurch fast die ganze in der Brennkammer 2 vorhandene Luft zur Nachverbrennung der Verbrennungsprodukte benutzt werden kann, die sich in der Vorkammer 17 bei erhöhten Belastungen bilden und dabei das Verdichtungsverhältnis erheblich vermindern.

Die Längsachse 23 der Vorkammer 17 und die Achse des Flammkanals 18 fallen zusammen, wobei die Längsachse 23 einen Winkel von 30° mit der kleinen Trochoidachse 5 bildet, wodurch eine stabile Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ohne Abreißen der Flamme gewährleistet ist.

Die erfindungsgemäße Rotationskolbenbrennkraftmaschine arbeitet folgendermaßen:

Bei umlaufendem Rotor 10 bilden sich zwischen den Kanten 13 des Rotors 10, den Seitendeckeln der Brennkammer 2 und der Trochoidfläche 2a der Brennkammer 2 Hohlräume mit veränderlichem Volumen, in denen der Viertaktprozef3 der Brennkraftmaschine abläuft.

Beim Einlaßtakt wird Luft in den Kanal 3 in den einen der Hohlräume mit veränderlichem Volumen gesaugt und zwar im Augenblick der Zunahme des Rauminhaltes dieses Hohlraumes bis zum Maximalwert.
Der Verdichtungstakt beginnt nach dem Durchgang der radialen Abdichtung 13 vorbei am Kanal 3, wonach der Rauminhalt des Hohlraums mit veränderlichem Volumen sich auf seinen miniraalen Wert zu vermindern beginnt. Im Augenblick der Verdichtung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommt der Hohlraum mit der Vorkammer 17 durch den Flammkanal 18 in Verbindung und zwar sofort nach dem Durchgang der radialen

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Abdichtung vorbei an der Öffnung des Flammkanals 18, wonach die verdichtete Luft der Vorkammer 17 zugeführt wird. Während des Verdichtungstaktes wird durch die Düse 19 durch den Zerstäuber 20 Kraftstoff unter hohem Druck eingespritzt. Da die Form der Vorkammer 17 der Form des Strahls des eingespritzten Kraftstoffes entspricht, erfolgt eine vollständige Umhüllung der ganzen in den Kraftstoffstrahl gelangten Luft durch den Kraftstoffstrahl. Da die Beendigung der Kraftstoffeinspritzung eher erfolgt, als der Hohlraum mit veränderlichem Volumen seinen Minimalwert erreicht, beginnt die der Vorkammer 17 weiter zugeführte Luft, indem sie sich teilweise mit dem sich bereits gebildeten Kraftstoff-Luft-Gemisch vermischt, das Gemisch in Richtung zum Zerstäuber 20 der Düse 19 zu drücken, was die Bildung eines fetten Kraftstoff-Luft-Gemisches an der Zündkerze 21 begünstigt. Die Menge des durch die Düse 19 der Vorkammer 17 zugeführten Kraftstoffes ändert sich abhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine. Deshalb ändert sich die Menge des Kraftstoffes im Kraftstoff-Luft-Gemisch auf der Länge der Vorkammer 17 in Abhängigkeit vom Betriebszustand. Im Leerlauf und bei geringen Lasten befindet sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit sehr gut entzündbarer Zusammensetzung über der Länge der Vorkammer 17 im Bereich der Zündkerze 21. Bei anderen Betriebszuständen, wie bei mittlerer und maximaler Last, befindet sich ein Kraftstoff-Luft-Gemisch mit sehr guter entzündbarer Zusammensetzung über der Länge der Vorkammer 18 im Bereich der Zündkerze 22. Im Bereich der Zündkerze 21 ist das Gemisch durch Kraftstoff zu stark angereichert, so daß es schlecht oder überhaupt nicht zündet. Somit wird bei Leerlauf und kleinen Lasten das Kraftstoff-Luft-Gemisch in der Vorkammer 17 durch die Zündkerze 21 und bei mittleren und maximalen Lasten in der Vorkammer 17 durch die Zündkerze 22 gezündet.

Sobald der Hohlraum mit veränderlichem Volumen, der mit der Vorkammer 17 in Verbindung steht, einen Rauminhalt

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aufweist, der seinem Minimalwert nahe ist, erfolgt die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, wie beschrieben, durch die Zündkerzen 21 oder 22, wobei die Aktivierung der Zündkerzen 21, 22 im Betrieb von der Drehzahl und vom Lastzustand der Brennkraftmaschine abhängig ist. Der entzündete Kraftstoff beginnt zu verbrennen. Die Vollständigkeit der Kraftstoffverbrennung in der Vorkammer 17 ist von der Luftmenge abhängig, die in der Vorkammer vorhanden ist. Bei Leerlauf und Teillast verbrennt der Kraftstoff vollständig in der Vorkammer 17. Bei mittlerer und hoher Last verbrennt der Kraftstoff nicht vollständig in der Vorkammer 17, da dazu die Luft nicht ausreicht. Deshalb werden bei mittlerer und hoher Last im Verlauf der Vergrößerung des Rauminhalts des Hohlraums mit veränderlichem Volumen aus der Vorkammer durch den Flammkanal 18 in diesen Hohlraum, der zu diesem Zeitpunkt mit der Vorkammer 17 in Verbindung steht, gemeinsam mit den verbrannten Produkten auch Produkte der unvollständigen Verbrennung ausgestoßen. Diese vermischen sich mit der Luft in dem sich erweiternden Hohlraum mit veränderlichem Volumen, so daß eine aktive Nachverbrennung der Produkte der unvollständigen Verbrennung einsetzt. Am Ende der Zunahme des Rauminhalts des Hohlraums ■ mit veränderlichem Volumen ist der Verbrennungsprozeß abgeschlossen. Die radiale Abdichtung gibt den Kanal 4 für den Auslaß der Verbrennungsprodukte frei und der Druck im Hohlraum mit veränderlichem Volumen sinkt stark.· Darauf beginnt der Rauminhalt des Hohlraums mit veränderlichem Volumen abzunehmen. Die verbliebenen Verbrennungsprodukte strömen durch den Kanal 4 zum Auslaß der Verbrennungsprodukte, wodurch der Auspufftakt abgeschlossen ist. Danach wiederholt sich der beschriebene Kreisprozeß. In Fig. 2a, 2b, 2c und 2d sind die Leerlaufwerte für die Rotationskolbenbrennkraftmaschinedurch Kreise dargestellt.

Für einen Vergleich sind in Fig. 2a, 2b, 2c und 2d auch die Prüfdaten einer bekannten mit Vorkammer-Fackelzündung

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und thermischem Nachzünder versehenen Kolbenbrennkraftmaschine durch Dreiecke angegeben, die in Bezug auf Giftgassubstanzenauswurf den USA-Normen von 1982 entspricht und mit zusammengesetzter wirbeiförmiger regelbarer Verbrennung arbeitet, was im folgenden als Verbrennungsablauf bezeichnet wird (CVCC: compound votex controlled combustion, Honda).

Fig. 2a zeigt als Kennlinien den stündlichen Kraftstoffverbrauch (G kg/h) abhängig von der Drehzahl der Welle ( η Upm) im Verlauf der Rotationskolben- und der bekannten Kolbenbrennkraftmaschine. Aus Fig. 2a ist ersichtlich, daß die Rotationskolbenbrennkraftmaschine in Bezug auf den stündlichen Kraftstoffverbrauch der bekannten Kolbenbrennkraftmas chine nicht nachsteht, sondern diese im ganzen Drehzahlbereich der Leerlaufzustände übertrifft.

In Fig. 2b. sind als Kennlinien die Änderung des Druckes (pinbar) der mechanischen Verluste abhängig von der Drehzahl (n Upm) im Leerlauf dargestellt. Trotz der höheren Werte für den durchschnittlichen Druck der mechanischen Verluste bei der Rotationskolbenbrennkraftmaschine im Vergleich mit denen der bekannten Kolbenbrennkraftmaschine übertrifft die Erstere die Letztere hinsichtlich des stündlichen Kraftstoffverbrauchs.
In Fig. 2c sind als Kennlinien die Menge des in die Luft emittierten Kohlenmonoxids (CO %) abhängig von der Drehzahl (n Upm) der Motorwelle bei Leerlauf dargestellt. Die Werte für die Rotationskolbenbrennkraftmaschine 'sind etwas schlechter als die der bekannten Kolbenbrennkraftmaschine. Dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die bekannte Kolbenbrennkraftmaschine einen thermischen Zünder für die Auspuffgase aufweist.

In Fig. 2d sind als Kennlinien die Änderung des Luftüberschußfaktors (α) abhängig von der Drehzahl η Upm) bei Leerlauf für die Rotationskolbenbrennkraftmaschine und die bekannte Kolbenbrennkraftmaschine dargestellt. Bei der Rotationskolbenbrennkraftmaschine liegt der Luftüberschußfaktor (α) bei allen Leerlaufdrehzahlen erheblich

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über dem Luftüberschußfaktor (α) der bekannten Kolbenbrennkraftmaschine. Dies bedeutet eine sehr intensive Entmischung des Kraftstoff-Luft-Geraisches bei der Rotationskolbenbrennkraftmaschine.

In Fig. 3a, 3b, 3c und 3d sind die Vergleichsdaten der beiden Brennkraftmaschinen für den Last-Verlauf bei einer Drehzahl der Welle von n=3000 U/min angegeben. Fig. 3a zeigt als Kennlinie den stündlichen Kraftstoffverbrauch (G in kg/h) abhängig vom mittleren indizierten Druck (p; in bar), der im Betrieb bei einer Drehzahl von 3000 Upm den mittleren Gasdruck in den Hohlräumen mit veränderlichem Volumen darstellt. Bei den Hauptlastzuständen im Bereich eines mittleren indizierten Druckes Pi bis 5 bar hat die Rotationskolbenbrennkraftmaschine einen kleineren stündlichen Kraftstoffverbrauch (G kg/h), d.h. eine um 20 bis 25 % höhere Wirtschaftlichkeit als die bekannte Kolbenbrennkraftmaschine für denselben Wert des durchschnittlichen indizierten Druckes. Fig. 3b bzw. 3c zeigt die Änderung des Gehaltes an Kohlenmonoxid (CO %) in den Abgasen bzw. an Kohlenwasserstoffen (CH in ppm) in Abhängigkeit vom mittleren indizierten Druck (Pi in bar)) für jeweils 3000 Upm. Die Rotationskolbenbrennkraftmaschine hat etwas größere Giftgassubstanzemission, dabei ist aber zu berücksichtigen, daß die bekannte Kolbenbrennkraftmaschine mit einem thermischen Nachzünder für die Abgase versehen ist. Fig. 3d zeigt die Änderung des Luftüberschußfaktors (α) in Abhängigkeit vom mittleren indizierten Druck (Pi in bar) bei 3000 Upm.

Im Bereich der Hauptbetriebszustände (Pi bis 5 bar) hat der Faktor α und somit auch der Entmischungsgrad des Kraftstoff-Luft-Gemisches der Rotationskolbenbrennkraftmaschine' ,große Werte.
Die mit der erfindungsgemäßen Rotationskolbenbrennkraftmaschine durchgeführten Versuche bestätigten, daß in der Praxis bei allen Betriebszuständen eine vollständige

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Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt. Dies bedeutet eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Rotationskolbenmotors um 20 bis 35 %* Die Menge der mit den Abgasen an die Umgebung emittierten Giftsubstanzen ist wesentlich vermindert.

Claims

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DIPL. ΙΝΘ. DIETER EBBINGHAUS

DR. ING. DIETER FINCK

TELEFON (OSS) 48 SO 54

TELEX 5-23 S65 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

DEA - 22 633

PATENTANSPRÜCHE

[1,) Rotationskolbenbrennkraftmaschine mit einer Brenn-Sammer, in der ein Rotor angeordnet ist, die eine innere Trochoidfläche aufweist und mit einem Gaseinlaßkanal und einem Kanal zum Auslaß von Verbrennungsprodukten in Verbindung steht und eine mit der Brennkammer in Verbindung stehende Vorkammer aufweist, die mit einer Zündkerze und einer Düse zur Kraftstoffeinspritzung versehen ist, welche einen Zerstäuber aufweist und in der Vorkammer im wesentlichen gegenüber einer Einlauföffnung in einen Flammkanal angeordnet ist, der sich in der Zone der kleinen Trochoidachse erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammer (17) ein vom Zerstäuber (20) an der Düse (19) auseinanderstrebender Kegel ist, und daß in der Vorkammer (17) eine weitere Zündkerze (22) angeordnet ist, deren Abstand vom Zerstäuber (20) der Düse (19) größer ist als der der Zündkerze (21).
2. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Absteoid zwischen dem Zerstäuber (20) der Düse (19) und der 25

SCHIFF ν. FONER STREHU SCHÜBE.L-HOPF EBBINGHAUS FlNCK

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Zündkerze (21) etwa das 0,1- bis etwa 0,4-fache der Länge der Vorkammer (17) beträgt und daß der Abstand zwischen dem Zerstäuber (20) und der weiteren Zündkerze (22) etwa das 0,6- bis etwa 1,0-fache der Länge der Vorkammer (17) beträgt.
3. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen der Länge der Vorkammer (17) und dem maxima len Durchmesser ihres Querschnitts etwa 2 bis etwa 5 beträgt.
4. Rotationskolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Vorkammer (17) einen Rauminhalt aufweist, bei dem das Verhältnis zwischen seiner Größe und der Größe der Querschnitts fläche des Flammkanals (18) etwa 100 cm bis etwa 10 cm beträgt.
5. Rotationskolbenbrennkraftinaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis zwischen dem Rauminhalt der Vorkammer (17) und dem der Brennkammer (2) etwa 0,4 bis 1,0 beträgt.
6. Rotationskolbenbrennkraftmaschine'nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Längsachse der Vorkammer (17) im wesentlichen mit der Achse des Flammkanals (18) zusammenfällt und mit der kleinen Trochoidachse einen Winkel von etwa 15° bis etwa 70° bildet.