DE3501779A1 - Drehkolbenbrennkraftmaschine - Google Patents

Description

Drehkolbenbrennkrafttnaschine.

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenbrennkraftmaschine bei der sich die Kolben mittels Steuerung eines alternierenden Getriebes in gleicher Drehrichtung und im Bezug zueinander abwechselnd schneller und langsamer bewegen. Sie soll zur Umsetzung von Wärmeenergie in kinetische Energie, hier speziell in Drehkraft, als Antriebsmotor Verwendung finden.

Bei derartigen Maschinen ist es vorteilhaft, wenn eine große Leistung pro Hubraumvolumen und ein großer Wirkungsgrad in einem großen Drehzahlbereich bei bestmöglicher Kraftstoffverbrennung mit möglichst geringem Materialaufwand und wenig Steuereinrichtung erzielt wird.

Es ist bekannt, daß zu diesem Zwecke Hubkolben- und Kreiskolbenmaschinen Verwendung finden. Hubkolbenmaschinen besitzen infolge ihrer großen Uärmeverluste durch zu heiße Auspuffgase, als auch wegen ihrer kinetischen Verluste, durch abbremsen und beschleunigen der Kolben, einen verhältnismäßig kleinen Wirkungsgrad, erfordern zudem einen großen Materialaufwand und, vom Zweitakter abgesehen, einen großen Steuerungsaufwand. Drehkolbenmotoren mit Epitrochoidenlaufbahn haben ebenfalls große Uärmeverluste und ihr Wirkungsgrad entspricht etwa dem der Hubkolbenmotoren. Bei diesen Motoren erfolgt im höheren Drehzahlbereich eine niedrigere Aufladung, was eine niedrigere Verdichtung, dadurch einen schlechteren Wirkungsgrad und damit auch eine niedrigere Leistung zur Folge hat. Drehkolbenmaschinen, die der Erfindung in ihrem Aufbau und in ihrer Wirkungsweise sehr nahe liegen, sind in den Patentschriften DBP 1098520 Kl. 14b6 und DBP 683500 enthalten. Bei diesen Maschinen sind jedoch zwei wichtige Gesichtspunkte zur Optimierung des Wirkungsgrades nicht berücksichtigt. Insbesonders nachteilig ist das Verhältnis des Volumens von Brennraum zu Ansaugraum, das

1 : 1 beträgt, sodaß uie bei den bisher bekannten Motoren im oberen Drehzahlbereich, ohne Turbo oder Kompressor, eine schlechtere Aufladung erfolgt und daß uegen des zu kleinen Brennraumvolumens ein großer Teil der noch hochenergetischen Brennstoffe nicht genutzt uerden kann und durch den Auspuff entweicht. Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus den hier getroffenen Konstruktionen, des für die Funktion des Kolben-Verlaufes erforderlichen Getriebes, das in beiden Fällen (DBP 1098520 und DBP 683500) aufgrund der Vielzahl der Zahnräder materiell aufwendiger ist und mehr Antriebsenergie erfordert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch wesentliche konstruktive Änderungen gegenüber vorher genannten, bereits aufgezeichneten oder bestehenden Maschinen, den Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie zu erhöhen, die Verbrennung durch gleichmäßige Ladung in einem großen Drehzahlbereich zu verbessern, damit die Größen-Ordnung der ausscheidenden Schadstoffe zu verringern, den Auspuffgeräuschpegel bei vergleichbarer Leistungsabgabe niedriger zu halten und damit umweltfreundlicher zu gestalten, sowie durch weniger Materialeinsatz das Leistungsgewicht zu verkleinern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Drehkolbenbrennkraftmaschine mit zwei in gleicher Drehrichtung umlaufenden Kolbenpaaren einen Arbeitsraum besitzt, der

in einen räumlich voneinander getrennten Brennraum, in einen Verdichtungsraum und einen Vorverdichtungsraum aufgeteilt ist, in dem das räumliche Verhältnis von Brennraum zum Verdichtungeraum ca. 2 : 1 beträgt, wobei der Vorverdichtungsraum durch einen Überdruckkanal mit einer Überdruckschleuse und der Überdruckkanal mit der Einlaßöffnung verbunden ist, daß die im Arbeitsraum sich in gleicher Drehrichtung bewegenden Kolbenpaare mit dem für die Steuerung der Kolben erforderlichen alternierenden Getriebe, das aus vier elliptischen Zahnrädern besteht, verbunden sind, wobei die Zahnräder in ihren Mittel-

punkten und Brennpunkten so auf den Wellen befestigt sind, daß der Abstand der ortsgebundenan Befestigungspunkte zueier ineinandergreifender elliptischer Zahnräder konstant ist. Dabei bewirkt das alternierende Getriebe, daß die beiden in gleicher Drehrichtung umlaufenden Kolbenpaare sich abwechslungsueise schnell bzw. langsam um ihren gemeinsamen Drehpunkt bewegen. Dies uird dadurch erreicht, daß die beiden Kolbenpaare (K 1 A, K 1 B und K 2 A, K 2 B) jeweils fest mit den Uellen U 1 und U 2 verbunden sind, wobei die Uelle U 1 des einen Kolbenpaares innerhalb der Uelle U 2 (siehe Fig. 1) des anderen Kolbenpaares gelagert ist und beide Uellen mit einem alternierenden Getriebe verbunden sind. Dieses alternierende Getriebe aus vier ellipsenförmigen Zahnrädern bewirkt, daß sich die Uellen U 1 und U 2, mit den in ihren Mittelpunkten befestigten elliptischen Zahnrädern EL 3 und EL 1, abwechslungsweise mit großen bzu. kleinen Uinkelgeschuindigkeiten um die ortsfesten Brennpunkte der ellipsenförmigen Zahnräder EL 4 und EL 2 bewegen (daher die Bezeichnung alternierendes Getriebe). Alle Zahnräder sind so aufeinander abgestimmt, daß die beiden, von dem Getriebe gesteuerten Kolbenpaare, innerhalb einer Umdrehung zwei Totpunkte (Kolbenstellungen in denen das durch das alternierende Getriebe erzeugte Übersetzungsverhältnis der Zahnräder 1 : ist) besitzen, in denen die beiden Kolbenpaare jeweils den kleinsten Abstand voneinander haben. Einer der beiden Totpunkte befindet sich in der Nähe des Zündpunktes des Arbeitsraumes, der zweite liegt diesem genau gegenüber; dort befindet sich auch Einlaß- und Auslaßöffnung für das Kraftstoffgemisch bzw. die Verbrennungsgase.

Der Arbeitsraum ist in einen Uorverdichtungsraum UU, in einen Verdichtungsraum UR und in einen Brennraum BR funktionell und räumlich aufgeteilt. Dabei besitzt der Vorverdichtungsraum eine Überdruckschleuse UES mit einem daran anschließenden Überdruckkanal UEK der in die Einlaßöffnung EL mündet. Damit kann erreicht werden, daß in einem großen Drehzahlbereich, in

dem bei schneller oder langsamer laufenden Kolben ein grö'sserer oder kleinerer Unterdruck im gesamten Ansaugbereich auftritt, eine gleichmäßige Aufladung des Verdichtungsraumes mit darauffolgender gleichmäßiger Verdichtung erfolg&U.Diese Aufladesteuerung des Uerdichtungsraumes erfolgt strömungsdynamisch in Zusammenuirkung des Vorverdichtungsraumes mit der Überdruckschleuse und den daran anschließenden Überdruckkanal. Sie funktioniert in der Art, daß der im Ansaug- bzw. Verdichtungsraum VR durch den kraftstoffansaugenden Kolben entstehende Unterdruck durch dem im Vorverdichtungsraum nachfolgenden Kolben in einer vorgegebenen Größenordnung wieder verdichtet uird und wobei der über diese Größenordnung vorhandene Kraftstoff durch die Überdruckschleuse und den Überdruckkanal in den Vorverdichtungsraum zurückströmen kann. Die Regulierung des Vorverdichtungsdruckes erfolgt strömungsdynamisch, in dem der Überdruckkanal bei schnell laufenden Kolben mit großer Strömungsgeschwindigkeit des Kraftstoffes einen größeren Widerstand darstellt als bei langsam laufenden Kolben mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit. Dabei ist es von Bedeutung, daß das Verhältnis des Volumens von Verdichtungsraum zu Vorverdichtungsraum, sowie der Querschnitt und die Länge des Überdruckkanals und der Überdruckschleuse für einen bestimmten Kolbengeschwindigkeitsbereich richtig dimensioniert sind. Bei einem extrem großen Drehzahlbereich kann der Querschnitt der Überdruckschleuse zusätzlich drehzahlabhängig gesteuert werden. Die Überdruckschleuse kann auch in Form einer Nut, die sich in Längsrichtung an einer oder mehreren Seiten des Vorverdichtungsraumes befindet, realisiert werden.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile gegenüber anderen vergleichbaren Drehkolbenmaschinen bestehen insbesondere darin, daß aufgrund der funktionellen Aufteilung des Arbeitsraumes. in einen Verbrennungsraum, einen Verdichtungsraum und einen Vorverdichtungsraum, in Verbindung mit einer in Drehrichtung am Ende des Vorverdichtungsraumes befindlichen Überdruckschleuse mit einem daran anschließenden Überdruckkanal,

der hinter den vorverdichtenden Kolben in den Vorverdichtungsraum mündet. Damit kann in einem großen Drehzahlbereich eine gleichmäßige Verdichtung erzielt werden wobei aufgrund des großen Verhältnisses des Verbrennungsraumes zum Verdichtungsraum von ca. 2 : 1 eine bessere Verbrennung und ein größerer Druckabbau des gezündeten Kraftstoffes erfolgen kann, wodurch ein verhältnismäßig großer thermodynamischer Uirkungsgrad erzielt wird, und daß durch die Verwendung eines aus nur vier elliptischen Zahnrädern bestehenden alternierenden Getriebes sich der Gesamtwirkungsgrad erhöht. Weitere Vorteile ergeben sich aus dem kleineren Materialeinsatz des Getriebes, was zu weniger Verlusten und zu einem kleineren Leistungsgeuicht (Verhältnis der Masse der Maschine zur abgegebenen Leistung) führt, sowie aus dem großen Druckabbau, der einen niedrigen Auspuffgeräuschpegel zur Folge hat.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung erfindungsgemäß schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschreiben.

Es zeigen:

Fig. 1 Drehkolbenbrennkraftmaschine im Schnitt A der Fig. 2 oder Fig. 3

Fig. 2 Drehkolbenbrennkraftmaschine im Schnitt C1-C2 der Fig. 1

Fig. 3 Drehkolbenbrennkraftmaschine im Schnitt B1-B2 der Fig. 1

Fig. 4 Alternierendes Zahnradgetribe im Querschnitt

Fig. 5 Alternierendes Zahnradgetriebe Seitenansicht (Zahnräder auf den Achsen stark versetzt)

Fig. 6 Uinkelwertdiagramm der Uelle U 1 und Uelle U 2 der Brennkraftmaschine und der Arbeitswelle AU 1 von dem alternierenden Getriebe.

Fig. 1 zeigt die Brennkraftmaschine im Schnitt A der Fig. 2 oder 3 mit Kolbenstellungen in den beiden Totpunkten, uobei die Stellung der Kolben 1 B und 2 B in der Beschreibung mit Totpunkt 1 und die Kolben 1 A und 2 A mit Totpunkt 2 bezei"· chnet werden. Fig. 2 und Fig. 3 zeigen die Brennkraftmaschine im Schnitt C1-C2 bzu. Schnitt B1-B2 und das alternierende Getriebe AGT als Block dargestellt. Das alternierende Getriebe in Fig. 4 ist im Schnitt so dargestellt, daß die großen Achsen von EL 1, EL 2, EL 4, und die kleine Achse von EL 3, der elliptischen Zahnräder, in den Schnittpunkt fallen. Diese Stellung hat keine Übereinstimmung mit den Kolbenstellungen in Fig. 1 bis Fig. 3. Fig. 5 zeigt das Zahnradgetriebe in einer Seitenansicht, uobei zur besseren Kenntlichmachung die Zahnräder auf den Achsen stark versetzt sind. Fig. 6 kennzeichnet den Verlauf der Kraftübertragungswelle AU 1 des alternierenden Getriebes zum Verlauf der die Kolben steuernden Wellen U 1 und U 2.

Die Brennkraftmaschine hat ein Gehäuse G in dem sich ein kreisrunder Arbeitsraum befindet, in dem die Kolben K 1 A, K 1 B, K 2 A und K 2 B in Pfeilrichtung umlaufen (Fig. 1 bis 3). Der Arbeitsraum ist in einen Uorverdichtungsraum UU (Raum von Einlaßöffnung EL bis Überdruckkanal UEK), einen Uerdichtungsraum UR (Raum von Überdruckkanal bis Schnittpunkt B 1) und einem Brennraum BR (Raum von Schnittpunkt C 1 bis Auslaßkanal AL) unterteilt, uobei der Uorverdichtungsraum eine Überdruckschleuse UES mit einem daran anschließenden Überdruckkanal UEK besitzt. Der Raum zwischen den Schnittpunkten C 1 bis B 1 ist Uerdichtungsraum und Brennraum. In der Totpunktstellung 1 zwischen den Kolben K 1 B und K 2 B in . Fig. befindet sich die Zündkerze ZK, in Höhe der Totpunktstellung der Kolben K 2 A und K 1 A befinden sich die Einlaß- und Auslaßöffnungen. Die Kolben sind paarweise, um 180° versetzt, über die Uellen U 1 und U 2 mit dem alternierenden Zahnradgetriebe verbunden und so verlagert, daß sie sich in vorgegebenen Grenzen aufeinander zu oder voneinander weg bewegen kön-

nan. Die Gehäuse G der Brennkraftmaschine und des alternierenden Getriebes sind starr miteinander verbunden.

Die elliptischen Zahnräder bewirken, daß bei konstanter Drehzahl und damit bei gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit der Arbeitswelle AU 1, die zur Drehkraftübertragung von der Brennkraftmaschine zu dem Verbraucher benutzt werden kann, die Wellen U 1 und U 2 mit alternierenden Winkelgeschwindigkeiten laufen, wobei die alternierenden Winkelgeschwindigkeiten dieser Uellen aufgrund des sich laufend ändernden Übersetzungsverhältnisses durch die elliptischen Zahnräder erfolgt. Auf eine nähere Erklärung kann verzichtet werden, da diese Funktion als bekannt vorausgesetzt werden darf. Die Winkelstellung in der die beiden Uellen W 1 und W 2 die gleiche Winkelgeschwindigkeit haben, bei der das Übersetzungsverhältnis 1:1 ist, wird hier mit Totpunkt bezeichnet. Die Drehzahlen und damit auch die alternierenden Drehgeschwindigkeiten werden mit den Wellen U 1 und W 2 auf die beiden Kolbenpaare übertragen (Fig. 6). In Folge dieses Bewegungsablaufes wird erreicht, daß jedes Kolbenpaar bei jeder ganzen Umdrehung zwei Totpunkte besitzt die so aufeinander abgestimmt sind, daß sich in diesen Stellungen immer zwei Kolben auf einen vorgegebenen Minimalabstand annähern, wobei sie dabei innerhalb des Arbeitsraumes die in Fig. 1 gezeigte Lage einnehmen. Im weiteren Verlauf der Drehrichtung (Pfeil) eilt immer das Kolbenpaar, das si±) gerade im Schnitt B1-B2 befindet, dem anderen Kolbenpaar das sich im Schnitt C1-C2 befindet solange voraus, bis das Kolbenpaar das sich vorher im Schnitt B1-B2 befand die Lage von Schnitt C1-C2 erreicht hat. In dieser Zeit läuft das andere Kolbenpaar von Schnitt C1-C2 bis Schnitt B1-B2 usw.

Es wird die Arbeitsweise der Brennkraftmaschine als Vergasermotor nach Fig. 1 bis 6 beschrieben. Sie macht pro Kolben und Umdrehung einen Arbeitshub. Das gibt zusammen vier Arbeitshübe pro Umdrehung. Bei jedem Arbeitshub wird gleichzeitig Kraftstoff vorverdichtet,-angesaugt, verdichtet, abgebrannt und vorher abgebrannter Kraftstoff ausgeschoben. In der fol-

genden Beschreibung wird angenommen, daß sich im Räume zwischen den Kolben K 2 A und K 1 B unverdichtetes und im Räume zwischen den Kolben K 2 B und K 1 B verdichtetes Kraftstoffgemisch befindet. In Folge der Zündung durch die Zündkerze ZK entsteht ein hoher Gasdruck, der sich auf die beiden Kolben K 1 B und K 2 B gleichmäßig verteilt. Nach Überschreitung des Totpunktes B 1 des Kolbens K 2 B gelangt dieser in den Expansionsbereich uo er aufgrund der-kürzeren Hebelarme der mit ihm verbundenen elliptischen Zahnräder gegenüber K 1 B von diesem weggedrückt wird. Dieser Expansionsbereich (in Fig. 1 mit Brennraum bezeichnet) erstreckt sich bis zum Totpunkt C 2 in dem die abgebrannten Gase durch die Auslaßöffnung AL entweichen können. Auf dem Uege von B 1 zu C 2 wird von dem Kolben K 2 B das im vorangegangenen Arbeitshub abgebrannte Kraftstoffgemisch ausgeschoben. Gleichzeitig mit dem Kolben K 2 B wechseln auch die anderen Kolben ihre Standpunkte. K 1 B wechselt von C 1 nach B 1, K 2 A von B 2 nach C 1 und K 1 A von C 2 nach B 2. Dabei wird von dem Kolben K 2 A im I.Abschnitt im Vorverdichtungsraum Kraftstoffgemisch vorverdichtet. Im 2. Abschnitt uird das im Verdichtungsraum befindliche Kraftstoffgemisch verdichtet und gleichzeitig Kraftstoffgemisch durch den Einlaßkanal EL in den Vorverdichtungsraum angesaugt. Das im Vorverdichtungsraum überschüssige Kraftstoffgemisch (Kraftstoffgemisch, das eine zu hohe Verdichtung bewirken würde) kann durch die Überdruckschleuse und dem daran anschließenden Überdruckkanal in den Vorverdichtungsraum hinter den Kolben K 2 A ausströmen. In gleicher Art wie oben beschrieben verrichten dann nacheinander die Kolben K 1 B, K 2 A, und K 1 A die Arbeit wie Kolben K 2 B usw.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   [1.yDrehkolbenbrennkraftmaschine mit vier Kolben, deren Rotationsbewegung im Arbeitsraum der Maschine mittels eines alternierenden Getriebes in gleicher Drehrichtung und im Bezug zueinander abwechselnd schneller und langsamer gesteuert uird, und mit einem Arbeitsraum der funktionell in einem Vorverdichtungsraum, in einem Verdichtungsraum und in einem Brennraum räumlich unterteilt ist, in dem der \/or\/erdichtungsraum mit einer Übardruckschleuse und mit einem daran anschließenden Überdruckkanal ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das raumliche Verhältnis worn Brennraum BR zu Verdichtungsraum VR 1,2 : 1 bis 3:1 gewählt ist, und daß die Überdruckschleuse mit dem daran anschließenden Überdruckkanal den Anfang und das Ende des Voruerdichtungsraumes so verbinden, daß das in Drehrichtung durch die Kolben über ein vorgegebenes Maß vorverdichtete ^ Kraftstoffgemisch in den Vorverdichtungsraum hinter den ψ vorverdichtenden Kolben zurückströmen kann. *·
2. 2. Drehkolbenbrennkraftmaschine nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das alternierende Getriebe (AGT) zur Steuerung der Kolben ausschließlich aus elliptischen Zahnrädern besteht.

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