DE3532417C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene luft- oder gemischverdichtende außenachsige Drehkolben-Brennkraftma­ schine mit zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehenden, als Arbeits- und Steuerkolben ausgebildeten Läufern, bei der sich die mit einander kämmenden Drehkolben mit einem Über­ setzungsverhältnis von 2 : 1 gleichförmig um feststehende, zueinander parallele Achsen drehen und bei der die beiden Teilgehäuse der einzelnen Drehkolben ineinander übergehen.

Eine derartige Drehkolben-Brennkraftmaschine ist bereits durch die DE-OS 32 37 157 bekannt. Sie weist, bezogen auf die Ebene der Rotorachsen, in jedem Teilgehäuse der Dreh­ kolben jeweils einen radial einmündenden Einlaßkanal und auf der gegenüberligenden Seite jeweils einen Auslaßkanal auf. In Drehrichtung des Steuerkolbens hinter dem Auslaß­ kanal ist in dessen Teilgehäuse ein weiterer, als Entla­ stungsleitung dienender Auslaßkanal vorgesehen, der mit dem Saugeinlaß einer von der Turbine oder von deren Auslaßdruck angetriebenen Saugvorrichtung verbunden ist. Die beiden anderen Auslaßkanäle werden zusammengeführt und münden in den Eingang der einen Verdichter antreibenden Turbine eines Turboladers. Da bei dieser Anordnung durch den relativ hohen Vordruck der Turbine stets Verbrennungsgase mit nicht uner­ heblichem Restdruck in den Arbeitskammern zurückbleiben, sollen diese durch die erwähnte Entlastungsleitung aus den Arbeitskammern des Steuerkolbens über die Saugvorrichtung hinter der Turbine abgesaugt werden. Abgesehen davon, daß eine solche Saugvorrichtung dazu ungeeignet sein dürfte, ist es grundsätzlich nur möglich, eine restlose Ausbringung der Verbrennungsgase zu erreichen, wenn gleichzeitig Frischluft durch eine separate Öffnung eintreten kann, d. h. wenn eine Spülung erfolgt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Durch die in den Arbeitskammern verbleibenden Restgase erfolgt eine nur unvollkommene Gemischbildung und damit Verbrennung, zu­ mal diese nicht besonders geregelt sind, was zwangsläufig zu einer niedrigeren Leistungsausbeute und damit niedrigerem Drehmoment führt. Die unzulängliche Verbrennung führt ferner zu einem erhöhten Schadstoffausstoß und einem Nachbrennen.

Der Ladungsvorgang findet bei der bekannten Brennkraftma­ schine im Parallelstrom und gleichzeitig über beide Teilge­ häuse statt. Da eine Spülung oder Kühlung der Drehkolben und deren Arbeitsräume nicht vorgesehen ist, ergeben sich an beiden Gehäuseteilen relativ kühle Einlaßseiten und extrem heiße Auslaßseiten, zumal die Verbrennung in letzteren er­ folgt. Als Folge davon ergeben sich Werkstoffspannungen und -verformungen, was als erheblicher Nachteil anzusehen ist.

Ein weiterer Nachteil dieser Brennkraftmaschine besteht da­ rin, daß die Druckdifferenz zwischen dem Kompressiondruck der jeweils komprimierenden Teile der Drehkolben auf der einen Seite der Ebene der Rotorachsen zum Druck der expan­ dierenden Teile der Drehkolben auf der anderen Seite dieser Ebene sehr groß ist, wodurch das momentane leistungsabgebende resultierende Drehmoment ungleichmäßig wird.

Schließlich ist zu erwähnen, daß durch die Luft- bzw. Abgas­ führung bei der bekannten Drehkolbenmaschine in bestimmten Stellungen des Arbeitskolbens zwischen dem Ein- und Auslaß ein sogenannter Kurzschluß entsteht, der die gesamte Funktion in Frage stellen würde. Um dies zu vermeiden, wird zwischen dem Ein- und Auslaß eine zusätzliche, kostenaufwendige und störanfällige Dichtvorrichtung vorgesehen, bei der aller­ dings allein schon aufgrund ihres großen Hubes erhebliche Dichtungsverluste einfach unvermeidbar sind.

Eine Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art, allerdings nur begrenzt aufladbar, ist ferner durch die Auto-Fachzeitschrift "mot-Technik", Nr. 22/1982 bereits be­ kannt. Auch diese Maschine weist für jeden der beiden Dreh­ kolben einen hier seitlich in die Teilgehäuse einmündenden Einlaßkanal und wenigstens je einen Auslaßkanal auf. Durch die Anordnung der Steuerkanäle ist es unvermeidbar, daß die Verdichtung relativ spät beginnt, da die Einlaßkanäle von den Drehkolben erst sehr spät geschlossen werden, wodurch ein erheblicher Teil der Frischladung ungenutzt entweicht, was wiederum erhöhten Kraftstoffverbrauch und ein Nach­ brennen im Auspuff zur Folge hat. Außerdem wird der Arbeits­ takt zu früh durch die Aufsteuerung der Auslaßkanäle be­ endet, was zudem durch Nichtausnützung eines großen Teiles der hochgespannten Ladung in den Kammern des Steuerkolbens zu erheblichem Leistungsverlust und starkem Auspuffgeräusch bei starker einseitiger Erwärmung des Motorgehäuses führt. Infolge des hohen Restgasanteiles nach dem Schließen der Auspuffkanäle wird das Frischgas aufgeheizt, was die Lei­ stungsausbeute mindert und den Schadstoffausstoß vergrößert.

In der "Auto-Zeitung" Nr. 17/1982 wurde die Arbeitsweise dieser Brennkraftmaschine mit drei radialen Auslaßkanälen beschrieben, mit denen die vorstehend aufgezeigten Nachteile jedoch nicht beseitigt werden.

In der DE-OS 30 05 694 und in den VDI-Nachrichten 34/85, wurde die gleiche Drehkolben-Brennkraftmaschine ebenfalls, jedoch mit vier radialen Auslaßkanälen dargestellt.

Bei der durch die Auto-Fachzeitschrift "mot-Technik", Nr. 22/1982, die DE-OS 30 05 694 und die VDI-Nachrichten 34/85 bekanntgewordene Brennkraftmaschine wird eine parallele, über die einzelnen Teilgehäuse führende Umkehr­ spülung angewendet, die jedoch wenig wirkungsvoll ist und eine große Menge Frischluft benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drehkolben-Brennkraft­ maschine derart umzugestalten und damit zu verbessern, daß eine gute und weitgehend gleichmäßige Kühlung und Spülung des gesamten Motorgehäuses und der Arbeitsräume der Drehkolben unter Vermeidung von Spül- und Dichtungsverlusten sowie an­ schließend eine gute Gemischbildung und geordnete Verbrennung erreicht wird, wodurch Spannungen im Motorgehäuse, der Kraft­ stoffverbrauch und der Schadstoffausstoß vermindert, ein Nachbrennen und Auspuffgeräusche vermieden und die Leistungs­ ausbeute bei gleichmäßigem Drehmoment wesentlich erhöht wird.

Hierbei handelt es sich durchaus nicht um mehrere Aufgaben­ stellungen, denn eine Umgestaltung der beschriebenen Drehkolben-Brenn­ kraftmaschinen bringt nur dann einen technischen Fortschritt, wenn alle zur Beurteilung eines Motors heranzuziehenden Parameter bzw. Punkte, die konstruktiv und funktionell ein­ fach zwangsweise ineinanderspielen, gleichzeitig berücksich­ tigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Spülungs- und Ladungsvorgang im Gleichstrom zeitlich hinter­ einander über die beiden Teilgehäuse stattfindet und die Leistungsabgabe gleichmäßig und gleichzeitig auf die beiden Drehkolben erfolgt und daß der Arbeits- und der Spültakt in etwa auf der gleichen Teilgehäuseseite bezüglich der Ebene der Rotorachsen liegt und das in eines der Teilgehäuse ein radialer Einlaßkanal mündet und aus dem anderen Teilgehäuse ein radialer Auslaßkanal führt, daß zwischen den beiden Teil­ gehäusen in etwa parallel zur Ebene der Rotorachsen ein separater, nur durch die Drehkolben steuerbarer radial aus- und einmündender Spül-Verbindungskanal angeordnet ist, daß die Einspritzvorrichtung radial zu den Achsen der Drehkolben derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff jeweils tangential an die in Drehrichtung des Drehkolbens vorn liegende Kammer­ wand der Kammer entgegen der Drallrichtung der Luft aufge­ spritzt wird.

Es gibt also nur noch einen Einlaß- und einen Auslaßkanal, was die Brennkraftmaschine wesentlich verein­ facht.

Die Anordnung des Spül-Verbindungskanals ist ebenfalls ein­ fach aber wirkungsvoll. Er hat eine Doppelfunktion und ge­ währleistet im Zusammenwirken mit den auf ihn abgestimmten, an bestimmten Stellen der Teilgehäuse angeordneten Ein- bzw. Auslaßkanal ein optimales Gleichstrom-Spül- und Ladever­ fahren hintereinander über die beiden Teilgehäuse bei ge­ ringem Kraftstoffverbrauch und Auspuffgeräusch, gleich­ mäßiger Erwärmung der Teilgehäuse und vermindertem Schad­ stoffausstoß. Außerdem wird durch die Anordnung des Verbin­ dungskanals am Gehäuseumfang eine relativ hohe Leistungs­ ausbeute und gute Aufladungsmöglichkeit garantiert. Des weiteren kann bei der vorgeschlagenen Anordnung der Steuer­ kanäle bei Kraftstoffeinspritzung die Einspritzvorrichtung derart angeordnet werden, daß der Kraftstoff relativ früh, mit niedrigem Druck und tangential an die für diese Zwecke günstig geformten Kammerwände des Steuerkolbens gespritzt werden kann.

Bei einer gemischverdichtenden Drehkolbenmaschine verringert die Anordnung des Steuerkanals in hohem Maße die Spülver­ luste, weil die Frischluftladung, von einer einzigen Ein­ laßöffnung eines Teilgehäuses kommend, einen relativ langen Weg bis zur Auslaßöffnung im anderen Teilgehäuse zurücklegen muß. Die sowohl für luftverdichtende als auch für gemischver­ dichtende Maschinen ausgezeichnete Kühlwirkung wird einmal durch die lange Verweilzeit der Frischladung an den Wänden der Drehkolben und denen der Gehäuseteile und zum anderen dadurch bewirkt, daß sich sowohl der Arbeits- als auch der Spültakt auf der gleichen Teilgehäuseseite abspielen.

Was die Anordnung der Kraftstoffeinspritzvorrichtung anbe­ langt, so wird aufgrund der längeren Verweilzeit des Kraft­ stoffes an den Kammerwänden des Steuerkolbens eine gute Gemischaufbereitung, Verdampfung sowie Luftvermischung und damit eine optimale Verbrennung erreicht.

Eine erhöhte Leistungsabgabe der erfindungsgemäßen Dreh­ kolben-Brennkraftmaschine ist insofern möglich, weil nunmehr die sich in den Arbeitskammern des Steuerkolbens befind­ lichen hochgespannten Gase über den Verbindungskanal rück­ wirkend in den Kammern des Arbeitskolbens arbeitabgebend entspannen können und damit die Leistungsabgabe bei größerem Drehwinkel des Arbeitskolbens auch auf den Steuerkolben er­ weitert wird, was die Steuerräder entlastet. Alles zusammen ergibt zwangsläufig eine größere Leistung der Maschine, verbunden mit geringem Kraftstoffverbrauch, gleichmäßigerem und höherem Drehmoment bei geringerem Schadstoffausstoß ohne Nachbrennen, geringerem Auspuffgeräusch und gleichmäßigerer Gehäuseerwärmung.

Der einzige am Umfang eines Teilgehäuses angeordnete Einlaß­ kanal ermöglicht es, den Kompressionsraum des Arbeitskolbens über einen großen Drehwinkel hin hoch aufzuladen, da der Verbindungskanal frühzeitig übersteuert und ein Entweichen der Frischladung über den Auslaßkanal damit verhindert wird, womit wiederum eine hohe Leistungsausbeute garantiert ist.

Die vorerwähnte Doppelfunktion des Verbindungskanales zwischen den beiden Teilgehäusen besteht darin, daß dieser einmal die sonst ungenutzt entweichenden hochgespannten Gase aus den Kammern des Steuerkolbens in die jeweiligen Kammern des Arbeitskolbens leitet und zum Anderen in umgekehrter Richtung, mit entsprechender Kühlwirkung, die Frischladung von der jeweiligen Kammer des Arbeitskolbens in die jeweilige Kammer des Steuerkolbens leitet.

Die Steuerzeiten der erfindungsgemäßen Drehkolben-Brennkraft­ maschine sind ohne Überschneidung des Auspuff-, Spül- und Ladevorganges, weshalb praktisch keine Spülmittelverluste und kein Nachbrennen im Auspuff auftreten.

Während des Spül- und Ladevorganges wird in den Kammern des Steuerkolbens durch die radial nach innen gerichtete Strömung zwangsläufig ein walzenförmiger Drall der Frischladung er­ zeugt, in welchen der Kraftstoff entgegen der Drallrichtung tangential an die weglaufenden Wände des Steuerkolbens ge­ spritzt wird.

Bei fortgeschrittener Drehung des Steuerkolbens wird durch Aufsteuerung der Gehäusekante zwischen den beiden Teilge­ häusen von der bereits verdichteten Luft in der Kammer des Arbeitskolbens in der Kammer des Steuerkolbens ein in der Drehrichtung umgekehrter Drallanstoß ausgelöst. Dieser Effekt bewirkt eine weitere intensive Vermischung der Luft mit dem inzwischen auf der Wand des Steuerkolbens ver­ dampften Kraftstoff.

Was den erwähnten geringeren Schadstoffausstoß anbelangt, so kommt dieser auch zwangsläufig dadurch zustande, daß die Maschine aufgrund der besseren Spülung und damit Kühlung niedrigere Temperaturen hat.

Das geringere Auspuffgeräusch ergibt sich aus der Tatsache, daß die Maschine über einen größeren Drehwinkel auch die sich in den Kammern des Steuerkolbens befindlichen, noch hochgespannten Gase zur Arbeitsabgabe und damit Entspannung heranzieht, wobei die Auspuffgase mit geringerem Druck den Auspuffkanal verlassen.

Ein Nachbrennen im Auspuff schließlich wird mit Sicherheit dadurch vermieden, daß bei der erfindungsgemäßen Drehkolben- Brennkraftmaschine infolge ihrer größeren Arbeitsdrehwinkel und damit möglichen längeren Ausbrennzeit praktisch keine noch brennbaren Gemisch­ anteile in den Auspuff gelangen können, was durch die ebenfalls geringeren Spülmittelverluste bei gemischverdichtenden Maschinen unterstützt wird.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschrei­ bung eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Bei­ spieles entnommen werden. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine außenachsige Drehkolben­ brennkraftmaschine mit einem Getriebeübersetzungsver­ hältnis des Arbeitskolbens zum Steuerkolben von 2 : 1 und die

Fig. 2-6 die in Fig. 1 gezeigte Drehkolbenbrennkraftmaschine in verschiedenen Arbeitsstellungen.

In Fig. 1 laufen in einem aus zwei Teilgehäusen 1a und 1b beste­ henden Gehäuse 1 ein Arbeitskolben 2 und ein Steuerkolben 3, die sich beide um feststehende, zueinander parallele Achsen 4 und 5 in gegenläufiger Drehrichtung drehen. Die Drehrichtungen der Drehkolben sind durch Richtungspfeile 18, 19 gekennzeichnet. Am Teilgehäuse 1a ist ein Einlaßkanal 6 und ein Ende eines Ver­ bindungskanals 7, im anderen Teilgehäuse 1b ein Auslaßkanal 8, eine Einspritzvorrichtung 9, eine Zündeinrichtung 10 bzw. deren Schußkanal und das andere Ende des Verbindungskanals 7 vorge­ sehen.

In Fig. 2 ist die Arbeitsstellung gezeigt, in welcher eine Ecke 2a des Arbeitskolbens 2 den Einlaßkanal 6 geschlossen hat und im Verdichtungsraum 11 des Teilgehäuses 1a die Verdichtung der Frischladung beginnt. Eine Ecke 3a des Steuerkolbens 3 steuert gerade den Auslaßkanal 8 auf.

Fig. 3 zeigt die Stellung des Steuerkolbens 3, in der dieser mit einer Ecke 3b die Verbindung des Verdichtungsraumes 11 dem Ver­ dichtungsraum 12 des Teilgehäuses 1b zu einem Verdichtungs­ raum 13 weiter verdichtend herstellt. Unmittelbar davor hat ei­ ne Ecke 2b des Arbeitskolbens 2 den Einlaßkanal 6 aufgesteuert, so daß Frischladung hinter den sich über den Auslaßkanal 8 ent­ spannenden Abgasen durch den Saugraum 14, den Verbindungskanal 7 und die durch den Steuerkolben 4 umschlossene Kammer 15 einströ­ men kann.

In Fig. 4 hat eine Ecke 3c des Steuerkolbens 3 den Verbindungs­ kanal 7 abgeschlossen, so daß der Spül- und Ladevorgang des Saug­ raumes 14 und der der Kammer 15 beendet sind. Im Verdichtungs­ raum 13 ist die Verdichtung der Frischladung inzwischen weiter fortgeschritten.

In Fig. 5 teilt eine Ecke 3d des Steuerkolbens 3 den ursprüng­ lichen Verdichtungsraum 13 in die Teilexpansionsräume 16 und 17, zuvor wurde jedoch zwischen letzteren durch Öffnen des Verbin­ dungskanals 7 eine Verbindung hergestellt, so daß die sich im Teilexpansionsraum 16 befindlichen Hochdruckgase über den Ver­ bindungskanal 7 in den sich vergrößernden Teilexpansionsraum 17 arbeitabgebend entspannen können.

Fig. 6 zeigt die Stellung der Drehkolben 2, 3, in welcher eine Ecke 3e des Steuerkolbens 3 den Auslaßkanal 8 geschlossen hat und die Kraftstoffeinspritzung mit der Kraftstoffeinspritz­ vorrichtung 9 in die Kammer 15 und zwar vorteilhafterweise mittels einer mehrstrahligen Lochdüse tangential an die sich entfernende Kammerwand der Kammer 15 des Steuerkolbens 3 be­ ginnt. Im Verdichtungsraum 13 ist inzwischen mit Hilfe der Zündeinrichtung 10 die Zündung des Kraftstoff-Luft-Gemisches erfolgt, so daß die Expansion, wie aus den Fig. 2-6 hervorgeht, in den Räumen 16 und 17 vonstatten geht.

Mit der beschriebenen Wirkungsweise dieser außenachsigen Drehkolbenbrennkraftmaschine mit der erfindungsgemäßen Anord­ nung eines an einem der Teilgehäuse 1a jeweils einzigen Ein­ laßkanals 6, an einem anderen Teilgehäuse 1b einzigen Auslaß­ kanals 8 sowie eines einzigen Verbindungskanals 7 zwischen den beiden Teilgehäusen 1a, 1b wurde ein einfaches Spül- und Ladeverfahren, im Gleichstrom hintereinander über die beiden Teilgehäuse 1a, 1b arbeitend, mit auf die einzelnen Drehkol­ ben 2, 3 gleichmäßig und gleichzeitig wirkender Leistungsab­ gabe verwirklicht (Fig. 1).

Selbstverständlich können bei dieser außenachsigen Drehkol­ benbrennkraftmaschine anstelle des Auslaßkanals 8 der Ein­ laßkanal 6 am Teilgehäuse 1b und anstelle des Einlaßkanals 6 der Auslaßkanal 8 am Teilgehäuse 1a, bei Verbleib des Verbin­ dungskanals 7 zwischen den beiden Teilgehäusen 1a, 1b angeord­ net werden, wobei die Strömungsrichtung der Arbeitsgase beim Spül- und Ladevorgang entgegengesetzt der in Fig. 3 gezeigten verläuft. Die Drallrichtung in den Kammern des Steuerkolbens 3 wird hierbei ebenfalls umgekehrt, so daß der mit der Einspritz­ vorrichtung 9 eingespritzte Kraftstoff tangential in Dreh­ richtung des Dralles an die sich entfernende Wand des Steuer­ kolbens 3 aufgebracht wird. Bei Aufsteuerung der Ecke zwischen den Teilgehäusen 1a, 1b durch eine Ecke 3b des Steuerkolbens 3 in Fig. 3 wird bei dieser Anordnung der Steuerkanäle der in den Kammern des Steuerkolbens 3 bestehende Drall durch die bereits in der Kammer 11 des Arbeitskolbens 2 vorverdichtete Frischladung verstärkt.

Claims (1)

1. Aufgeladene luft- oder gemischverdichtende außenachsige Dreh­ kolben-Brennkraftmaschine mit zwei sich in entgegengesetzter Richtung drehenden, als Arbeits- und Steuerkolben ausgebildeten Läufern, bei der sich die miteinander kämmenden Drehkolben (2, 3) mit einem Übersetzungsverhältnis von 2 : 1 gleichförmig um fest­ stehende, zueinander parallele Achsen (4, 5) drehen und bei der die beiden Teilgehäuse (1a, 1b) der einzelnen Drehkolben inein­ ander übergehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Spülungs- und Ladungsvorgang im Gleichstrom zeitlich hintereinander über die beiden Teilgehäuse (1a, 1b) stattfindet und die Leistungsabgabe gleichmäßig und gleichzeitig auf die beiden Drehkolben (2, 3) erfolgt und daß der Arbeits- und der Spültakt in etwa auf der gleichen Teilgehäuseseite bezüglich der Ebene der Rotorach­ sen (4, 5) liegt und daß in eines der Teilgehäuse (1a) ein ra­ dialer Einlaßkanal (6) mündet und aus dem anderen Teilgehäu­ se (1b) ein radialer Auslaßkanal (8) führt, daß zwischen den beiden Teilgehäusen (1a, 1b) in etwa parallel zur Ebene der Rotorachsen (4, 5) ein separater, nur durch die Drehkolben (2, 3) steuerbarer radial aus- und einmündender Spül-Verbindungska­ nal (7) angeordnet ist, daß die Einspritzvorrichtung (9) radial zu den Achsen (4, 5) der Drehkolben (2, 3) derart angeordnet ist, daß der Kraftstoff jeweils tangential an die in Drehrichtung des Drehkolbens (3) vorn liegende Kammerwand der Kammer (15) entgegen der Drallrichtung der Luft aufgespritzt wird (Fig. 6).