DE3644790A1 - Kreiskolbenmotor mit verbesserter steuerung und verbrennung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Kreiskolbenmotor nach Bauart Wankel, bei welchem die Verbrennung des Kraftstoffluftgemisches weitgehend in einem möglichst kompakt gestalteten Brennraum außerhalb der Trochoidenkontur stattfindet. Bekannt sind solche Brennraumanordnungen von Hubkolbendieselmotoren mit außerhalb des Zylinderraumes liegenden Vor- oder Wirbelkammern.

Die Hauptursache für den relativ hohen Kraftstoffverbrauch bis­ her gebauter Kreiskolbenmotoren ist die relativ schlechte Ver­ brennung in einem ungünstig, langgestreckten und noch dazu be­ wegten Kolbenbrennraum (1); hinzu kommen die Überströmverluste im Überschneidungs-OT (2) des durch die sog. Brennmulde (3) in der Kolbenoberfläche (4) des Kreiskolbens (5) gebildeten Kurz­ schlußkanals (6). Diese beiden Mängel sind die Hauptursache da­ für, daß sich der Kreiskolbenmotor trotz bestechender Vorteile bisher nicht durchsetzen konnte.

Die Störung eines sauberen Gaswechsels durch den Kurzschlußkanal, (6) wurde bei bisher gebauten Kreiskolbenmotoren teilweise durch die Anordnung eines Seiteneinlaßkanals zu kompensieren versucht. Wegen der immer noch vorhandenen Brennmulde konnte dies nicht vollständig gelingen!

Eine gute Verbrennung setzt in jedem Verbrennungsmotor voraus, daß der Brennraum möglichst kompakt gebaut ist, damit die Ver­ brennung bei normalen Brenngeschwindigkeiten in kürzester Zeit abgeschlossen werden kann, während der Kolben im Bereich des OT ist. Beim bisher gebauten Kreiskolbenmotor (KKM) zieht sich die Verbrennung in den Expansionshub hinein und wird bei abfal­ lendem Druck unvollständig; hinzu kommt, daß bei den bisher ge­ bauten Kreiskolbenmotoren im nacheilenden Teil (7) des Kolben­ brennraums (1) sich der noch flüssige Anteil des angesaugten Kraftstoffes sammelt und dort ein überfettetes und deshalb un­ brennbares Kraftstoffluftgemisch bildet. Diese wird dann fast unverbrannt in den Auslaßkanal (8) ausgeschoben.

Dadurch wird einerseits der Kraftstoff nicht vollständig ausge­ nutzt, was den Kraftstoffverbrauch erhöht, und andererseits un­ verbrannter Kraftstoff in den Auslaßkanal gedrückt, was dort die Abgastemperaturen unnötig hochtreibt oder unverbrannte Kraft­ stoffanteile im Abgas ergibt.

Im Überschneidungs-OT (2) wirkt die in der Kolbenoberfläche (4) befindliche Brennmulde (3) wie ein Kurzschlußkanal (6); durch ihn wird die für eine saubere Gaswechselsteuerung erforderliche Druckdifferenz zwischen Ansaug- (9) und Auslaßkanal (8) abgebaut. Abgase gelangen so in den Ansaugkanal (9) und Frischgase gelangen durch Gasschwingungsvorgänge in den Auslaßkanal ohne vorher Ar­ beit geleistet zu haben. Der KKM bisheriger Bauart mit Umfangs­ einlaß und handelsüblichem Vergaser läuft deshalb im Leerlauf unrund und holperig wie ein bekannter 2-Takthubkolbenmotor. Der Kraftstoffverbrauch ist ähnlich hoch wie beim 2-Takthubkolben­ motor.

Der hier vorgestellte erfindunggemäße KKM (Fig. 2) hat ebenfalls einen Kreiskolben (5), aber ohne jede Brennmulde im mittleren Bereich der Kolbenoberfläche (4). Die gestrichelten Linien in Fig. 2 zeigen den Kreiskolben in OT-Stellung (Zünd-OT).

Das Fehlen der Brennmulde vermeidet im Überschneidungs-OT (2) das Entstehen eines Kurzschlußkanals zwischen Ansaug- und Auslaß­ kanal; damit ist die Gaswechselsteuerung so exakt wie bei einem handelsüblichen 4-Takthubkolbenmotor. Beim KKM kommt dann aber noch hinzu, daß die nunmehr ungestörte Einströmung des Frisch­ gases bei entsprechender Abstimmung des Ansaugkanals Vollast­ füllgrade bis zu 120% ermöglicht und das ohne zusätzliche Auf­ ladung. Leerlauf-und Teillastverhalten des erfindungsgemäßen KKMs entsprechen dem eines normalen 4-Takthubkolbenmotors unter Verwendung eines handelsüblichen Vergasers.

Für die Verbrennung hat der erfindungsgemäße KKM einen kom­ pakten, möglichst kugelförmigen Brennraum (10) außerhalb der Trochoidenkontur (11), welcher durch einen Überströmkanal (12) mit dem innerhalb der Trochoide liegenden Kolbenbrennraum (1) verbunden ist. Dieser Überströmkanal (12) soll im Bereich des Zünd-OT (13) oder etwas danach in die Trochoide münden; er kann etwas schräg in die Drehrichtung des KKM geneigt sein, so daß die ausströmenden Brenngase auf möglichst geradem Weg in den vorderen Teil des Kolbenbrennraums (14) gelangen können. Der Anteil des außerhalb der Trochoide liegenden Brennraums (10) vom Gesamtbrennraum wird größer, wenn der KKM in Arena- oder gar in Überarenabauform angelegt wird. Bei der sog. Arenabauform besteht die Trochoide aus zwei Halbkreisen, wie in Fig. 2 gezeichnet. Dabei ergibt sich ein ideeles Verdichtungsverhältnis von ε _id=24:1. Wenn dieser KKM mit einem effektiven Verdichtungs­ verhältnis von ca ε = 10 bis 12:1 betrieben wird, dann um­ faßt der außerhalb der Trochoide liegende Brennraum (10) ca 60% des Gesamtbrennraums. Der im nacheilenden Teil (7) des Kolbenbrennraums (1) sich ansammelnde Flüssiganteil des ange­ saugten Kraftstoffes soll in dem Zeitraum, in dem die hintere oder nacheilende Umfangsdichtleiste (15) den Überströmkanal (12) bzw. dessen Mündung in der Trochoide überstreicht, durch die Druckdifferenz zwischen vorauseilendem und nacheilendem Kolben­ brennraum in den äußeren Brennraum (10) oder in den nacheilen­ den Kolbenbrennraum (1) gedrückt werden. In beiden Fällen wird dieser unverbrannte Teil des Kraftstoffes dem nächstfolgenden Verbrennungsvorgang zugeführt und damit nicht verloren! Damit die Übergabe dieses unverbrannten Kraftstoffrestes möglichst voll­ ständig erfolgt, sollen in der Trochoidenoberfläche zwei schräg zur Mündung des Überströmkanals (12) verlaufende Rinnen (16 u. 17 oder 18 u. 19 in Fig. 3) den Kraftstoff zum vorwiegend el­ liptischen Überströmkanal (12) führen. Die erforderliche Druck­ differenz bzw. der Überdruck des vorauseilenden Kolbenbrennraums gegenüber dem nacheilenden Kolbenbrennraum kann durch die Lage des Überströmkanals ebenso wie auch durch die Anordnung von Ansaug- und Auslaßkanal optimiert werden.

Der erfindungsgemäße KKM arbeitet nach folgendem Prinzip: Aus dem Ansaugkanal (9) wird das in einem handelsüblichen Ver­ gaser gebildete Kraftstoff-Luftgemisch (Frischgas) ungestört angesaugt, anschließend verdichtet und dabei über einen Über­ strömkanal (12) in einen außerhalb der Trochoide (11) liegenden Brennraum (10) gedrückt. Dort wird das Kraftstoff-Luftgemisch durch eine normale Zündkerze gezündet, worauf das Brenngas nun durch den Überströmkanal zurück in den Kolbenbrennraum (1) strömt und dort die verbliebenen Reste des Kraftstoff-Luftgemisches entzündet und verbrennt. Kurz bevor die vorauseilende Umfangs­ dichtleiste (20) den Auslaßkanal (8) öffnet, überstreicht die nacheilende Umfangsdichtleiste (15) die Öffnung des Über­ strömkanals (12); dabei wird der unverbrannte Rest des Kraft­ stoffes am Ende der Kolbenoberfläche (4) in den Überströmkanal oder auch in den nacheilenden Kolbenbrennraum gespült. Dort wird dieser Kraftstoffrest für den nächstfolgenden Verbrennungs­ vorgang aufbereitet. Sodann öffnet die vorauseilende Umfangs­ dichtleiste den Auslaßkanal und das verbrannte Brenngas wird zum Auslaßkanal hinausgeschoben.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Kreiskolbenmotors sind:

• 1. Das Fehlen eines Kurzschlußkanals (6) im Überschneidungs-OT (2) bedingt eine saubere Gaswechselsteuerung mit den Folgen eines runden Leerlauf- und Teillastverhaltens: kein Stolpern, gutes Kaltstartverhalten, keine Frischgasverluste und damit verringerter Kraftstoffverbrauch.
• 2. Das Fehlen des Kurzschlußkanals ermöglicht optimale Steuer­ zeiten ohne Frischgasverluste; z.B. ergibt ein späterer Zeit­ punkt für Auslaß öffnet eine Verringerung des Kraftstoffver­ brauchs durch bessere Ausnutzung des Expansionshubes!
• 3. Im Zünd-OT wird der größere Teil des Kraftstoff-Luftgemisches in einem kompakten Brennraum (10) von einer handelsüblichen Zündkerze entzündet und in kürzester Zeit verbrannt. Das er­ gibt eine verbesserte Verbrennung und damit ebenfalls eine Ab­ senkung des Kraftstoffverbrauchs.
• 4. Durch das Überschieben des unverbrannten Kraftstoffrestes am Ende der Kolbenbrennraumes in den Überströmkanal (12) bzw. in den nacheilenden Kolbenbrennraum wird noch einmal Kraftstoff eingespart.

Claims (3)

1. Kreiskolbenmotor nach Bauart Wankel, dadurch gekennzeichnet, daß der eingesetzte Kreiskolben (5) in seiner dem Brennraum zugewandten Kolbenoberfläche (4) keine Brennmulde hat, dafür aber einen kompakten Brennraum (10) außerhalb der Trochoide (11), welcher über einen Überströmkanal (12) mit dem eigentlichen Kolbenbrennraum (1) des Kreiskolbenmotors verbunden ist.

2. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überströmkanal (12) an der Trochoide (= Kolbenbrenn­ raumkontur) (11) des Kreiskolbenmotors vorwiegend im Bereich des Zünd-OT (13) mündet.

3. Kreiskolbenmotor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trochoidenoberfläche (11) zur Mündung des Überström­ kanals (12) hin quer- oder schräg verlaufende Rillen (16 u. 17 oder 18 u. 19) vorgesehen sind, über welche der am Kolbenende verbleibende Kraftstoffrest leichter in den Überströmkanal ge­ spült wird.